低溫燃料電池石墨烯基低鉑催化劑的制備及性能研究.pdf

1、目前傳統(tǒng)能源的減少以及其使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的危害讓人類(lèi)開(kāi)始反思，可循環(huán)使用的清潔能源越來(lái)越受到重視。燃料電池是一種可以直接把儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能高效、無(wú)污染地轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，其使用可有效解決環(huán)境污染和能源危機(jī)問(wèn)題。其中低溫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低、安全及環(huán)境友好等特點(diǎn)，在移動(dòng)電源、動(dòng)力電池以及日常生活電源等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α４呋瘎?duì)于燃料電池非常重要。研究發(fā)現(xiàn) Pt由于它特殊的電子結(jié)構(gòu)最適合作為低溫燃料電池催化劑

2、的活性組分，但是 Pt作為催化劑也存在以下缺點(diǎn)：Pt在世界上的儲(chǔ)量較少以及商業(yè)價(jià)格過(guò)高導(dǎo)致催化劑成本較高；Pt易被醇類(lèi)催化氧化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的CO副產(chǎn)物毒化，極大的降低催化劑活性。另外載體對(duì)于催化劑性能的優(yōu)劣具有重要的影響。石墨烯以其特殊的單層碳原子二維結(jié)構(gòu)的特性，具有較高的電子轉(zhuǎn)移速率和較大的比表面積，適合作為催化劑載體。但是石墨烯片層之間由于范德華力作用很容易發(fā)生堆積，降低催化劑性能。以上問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了低溫燃料電池的發(fā)展和商業(yè)化。<

3、br>　　本研究以提高催化劑效率、降低Pt載量和提高催化劑性能為目標(biāo)，制備了一系列以石墨烯為載體的 Pt基催化劑，并研究了這些催化劑在低溫燃料電池陽(yáng)極中的催化性能。為解決石墨烯層間堆積問(wèn)題，將Vulcan XC-72碳嵌入到石墨烯片層之間，制備出Pt/Gr-C催化劑。研究發(fā)現(xiàn)平均粒徑約2 nm的Pt粒子高度分散在石墨烯表面，經(jīng)過(guò)碳摻雜以后石墨烯片層更加蓬松，而且摻雜碳后石墨烯的缺陷更多，混亂度更強(qiáng)，表明增大了石墨烯的比表面積，從而可提高

4、催化劑活性。Pt/Gr-C對(duì)甲醇氧化的電催化活性達(dá)0.3 Amg-1Pt，分別是Pt/Gr(0.22A mg-1Pt)和Pt/C(0.18 A mg-1Pt)的1.4倍和1.7倍。為提高Pt催化劑對(duì) CO的抗中毒能力，采用一步還原法制備還原氧化石墨烯負(fù)載PtCo合金催化劑（PtCo/RGO）。研究發(fā)現(xiàn)Co的加入改變了Pt的電子結(jié)構(gòu)，消弱了Pt與CO之間的相互作用，從而提高了抗中毒能力。PtCo納米粒子的平均粒徑約為2.4 nm，高度分散

5、在石墨烯表面。PtCo/RGO對(duì)甲醇氧化的電催化活性達(dá)到0.68 A mg-1Pt，分別是Pt/RGO和 Pt/C催化劑的1.5倍和2.1倍。此外PtCo/RGO的If/Ib的比值為1.3，大于Pt/RGO（1.2）和 Pt/C（0.7），表明 PtCo/RGO對(duì) CO有較高的抗中毒能力。為進(jìn)一步降低 Pt載量和提高 Pt利用率，制備出石墨烯負(fù)載 PtCo納米空心球（H-PtCo/Gr），并研究了其對(duì)甲醇的電催化氧化性能。首先以硼氫化鈉

6、為還原劑制備出粒徑大小均勻、平均粒徑約20 nm的Co納米顆粒，然后加入Pt2+進(jìn)行置換，最后加入氧化石墨，還原后得到 H-PtCo/Gr。H-PtCo/Gr對(duì)甲醇氧化的單位質(zhì)量 Pt的活性達(dá)到0.96 A mg-1Pt，分別是Pt/C和Pt/Gr的2.4倍和2倍，表明其對(duì)甲醇氧化較高的催化性能。此外，H-PtCo/Gr對(duì)甲醇氧化循環(huán)伏安圖的正向峰電流密度（If）和反向峰電流密度（Ib）的比值為1.28，高于Pt/C（0.82）和Pt/