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随着化石能源的日益减少及燃烧产生的有害气体等带来的环境问题日益加重,人们正致力于开发清洁高效的新能源,其中能量利用率高、环境友好的燃料电池正受到人们的重视。在燃料电池众多类型中,以氢气为主要反应物的质子交换膜燃料电池,更是成为研究重点之一。质子交换膜燃料电池所用的电极催化剂是非常重要的一个研究方向,目前催化活性最高、使用最广泛的商业催化剂是Pt/C,但仍存在诸多亟待解决的问题,如在酸性条件下,会发生Pt粒子溶解或迁移而导致催化剂催化性能衰减甚至失活。尽管人们已发展了负载、锚定、包覆/填充等方法来提高其稳定性,但结果差强人意。我们课题组发展的碳基纳米笼,其笼壁上富集有约0.6 nm的微孔并具有纳米级空腔,最近,我们采用真空填充技术,将Pt纳米颗粒填充在碳基纳米笼空腔内,制备所得的催化剂表现出优异的氧还原催化活性、循环稳定性和抗醇性能,这源于笼壁上约0.6nm的微孔允许O2和离子等尺寸较小的粒子通过、阻碍醇分子等尺寸较大的粒子进入。基于此,本论文采用类似的技术和方法,将Pt纳米粒子填充到碳基纳米笼的空腔中,利用微孔的筛分作用和笼壁的阻挡作用,以阻碍Pt颗粒的迁移和团聚,获得了高稳定性的限域型Pt基氢气氧化(HOR)催化剂,主要进展包括:(1)成功制备出限域型Pt@CNC催化剂,在酸性条件下展现出与负载型Pt/CNC和商业Pt/C相媲美的HOR催化活性,但其稳定性远优于Pt/CNC和Pt/C。Pt@CNC高的HOR催化活性和稳定性可归因于:(i)碳纳米笼壁上微孔对H2、H+、H2O等小尺寸粒子的传质影响不大,能保证其高催化活性;(ii)纳米笼壁上微孔能极大地阻止可溶性Pt纳米粒子被刻蚀产物的流失;(iii)笼壁能有效阻止Pt纳米粒子迁移、聚集;(ⅳ)石墨化程度高的碳纳米笼结构保持完整、不易被电化学刻蚀,阻止Pt纳米粒子流失。(2)以NCNC为载体,制备出限域型Pt@NCNC和负载型Pt/NCNC催化剂。在酸性介质中,二者展现出显著优于无氮掺杂的Pt@CNC、Pt/CNC和商业Pt/C的HOR催化活性;N掺杂的催化剂催化稳定性显著优于无氮掺杂催化剂;限域型催化剂的催化活性衰减率显著低于负载型催化剂。Pt@NCNC的高催化活性和高稳定性可归因于:(ⅰ)N掺杂有利于Pt高分散、减小Pt粒子的粒径、提高ECSA;(ⅱ)N掺杂能调变电子结构,使得载体与Pt之间的相互作用力增强,锚定Pt粒子,阻碍Pt纳米粒子被刻蚀;(ⅲ)与无氮掺杂时相同的笼壁上微孔的筛分作用和笼壁的阻隔作用。此外,S、N共掺杂会显著劣化其HOR催化活性,可能的原因是杂原子S使Pt中毒。这研究进展为基于碳基纳米笼的笼状结构和笼壁富含微孔通道的结构特征研发高催化活性和稳定性的限域型HOR催化剂及其它限域型催化剂提供指导。