科研之友
微信
新浪微博
Facebook
分享链接
摘要
直接乙醇燃料电池是一种高效、绿色的低温燃料电池,但其发展受到阳极电催化氧化乙醇缓慢动力学的限制.目前,Pt基材料是最适合用于乙醇氧化反应(EOR)的电催化剂.然而其活性中心容易被反应过程中生成的中间体CO吸附而中毒,在很大程度上降低了催化剂的活性和稳定性.减轻Pt中毒的一种有效方法是引入第二种金属(如Sn,Ru,Rh等)以形成双金属催化剂.其中,Pt-Sn双金属催化剂由于其优异的乙醇氧化性能而得到了广泛研究.根据相关报道,与Pt相邻的Sn原子有利于H2O在其表面吸附解离并形成OHads活性物种,从而促进Pt表面反应中间体CO的氧化并重新释放出活性位.在金属氧化物中,氧化锡(SnOx)由于其在酸性电解质中较高的稳定性而被广泛用作DAFC中的助催化剂.目前,大多数研究认为,引入第二金属后催化活性的增强源于几何效应,而其中电子效应的影响却不明确.因此,深入了解Pt和SnOx之间的电子效应对于提高乙醇的电催化性能具有重要意义.本文首先通过乙二醇法合成了Pt/SnOx/石墨烯纳米复合材料,通过X-射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对催化剂的结构和形貌进行了表征.结果表明,Pt/SnOx异质结构均匀分散在石墨烯载体上.XPS表明,催化剂中的Pt主要以Pt0形式存在,其被认为是乙醇氧化的主要活性位点.同时,Pt/SnOx/石墨烯中Pt 4f的结合能相对于Pt/C催化剂负向移动了0.37e V,这主要是由于存在从石墨烯和SnOx到Pt的电子转移,证明了载体和金属氧化物对Pt活性中心的电子改性.电化学循环伏安(CV)曲线中,正扫的氧化峰反映了电催化剂对乙醇的氧化能力.Pt/SnOx/石墨烯和Pt/石墨烯的峰电流密度分别是商业Pt/XC-72催化剂的2.82和1.82倍,表明Pt/SnOx/石墨烯具有更加优异的乙醇电催化氧化活性.此外,Pt/SnOx/石墨烯的正向氧化峰电位比Pt/石墨烯和Pt/XC-72低约30至40 m V,表明SnOx和石墨烯的引入降低了乙醇氧化的起始电位.CO氧化实验中,Pt/SnOx/石墨烯对应乙醇氧化的起始电位和峰电位都有所下降,表明CO在Pt/SnOx/石墨烯上更容易被氧化.Pt/SnOx/石墨烯催化剂的CO氧化增强效应可以解释为SnOx和石墨烯的供电子效应降低了Pt对CO中π反键轨道的电子给予能力,从而削弱了CO在Pt上的吸附.此外,在Pt/SnOx异质结构中,SnOx的电子给予效应可促进H2O的解离,在Pt上产生更多的OHads并加速相邻Pt活性位点上COads的氧化.Pt/SnOx/石墨烯也显示出良好的稳定性,这主要是由于石墨烯和SnOx的电子给予效应使得Pt表面的电子亲和力减弱,从而产生更多的氧化物质(如水分解中的OHads),加速了中毒中间体的氧化和去除效率.与常规的铂纳米催化剂相比,该催化剂表现出较高的活性和稳定性,是非常有潜力的乙醇电氧化催化剂.
- 单位
