Pt-Sb/石墨烯催化剂的结构表征及电催化活性的研究

摘要

甲醇直接燃料电池由于具有高的能量密度,不使用化石燃料,低的工作温度而有望应用在便携式电器的电源而备受关注。尽管燃料电池的研究已取得重要进展,但是一些重要的问题依然未能解决,如负极氧化还原反应过程中效率较低,Pt催化剂容易结合CO而中毒。因此,催化剂在效率、活性以及燃料电池的价格方面具有决定性作用。其中,催化剂的催化行为与其结构和分散程度息息相关,这可以通过选择不同的载体材料实现。直到目前为止,包括炭黑、碳纳米管以及碳微球等炭材料被广泛研究。石墨烯是一种蜂窝网状的二维结构。自从石墨烯能够用化学还原的方法制备以来,石墨烯有望作为燃料电池催化剂的载体材料。为了改变贵金属催化剂的催化活性,同时减少铂的使用量以节约成本,能够与铂贵金属形成二元催化剂,例如钌、钯等金属。目前,最紧要的是能够找到一种便宜的金属代替贵金属。基于此,我们使用金属锡参入铂,并将二元催化剂负载在石墨烯上。
　　 使用改进的Hummers法制备氧化石墨烯,再利用浸渍还原法一步制备得到石墨烯基:Pt-Sn催化剂(Pt-Sn/graphene),氧化石墨烯在反应过程中被乙二醇原位还原为石墨烯。主要的测试手段有扫描电子显微镜(SEM),高分辨透射电子显微镜(HRTEM),X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS)
　　 实验结果表明:所制得的Pt-Sn纳米颗粒均匀分布在石墨烯表面,平均粒径为3.19nm。XPS表明,部分Sn元素以SnO2的形式存在。电化学研究表明,石墨烯做载体相较炭黑做载体更能明显提高纳米金属颗粒的催化效果。Pt-Sn/graphene催化剂在保证催化效果的前提下,使甲醇的氧化能够在更低的电位下进行。Sn元素与石墨烯的协同作用,有效的增强了催化剂抗CO中毒能力,使氧化甲醇的正扫峰电流和反扫峰电流的比值高达2.18。