PtRuP/C催化剂的TEM照片(a)低放大倍数;(b)高放大倍数
直接甲醇燃料电池(directmethanol fuel cell,DMFC)使用液体燃料,具有结构简单、体积小、操作温度低、比能量高等优点,特别适用作笔记本电脑、数码相机、电动车等小型便携式电源。然而,在低温条件下,阳极电催化剂活性不高、极化严重是阻碍DMFC商业化的突出问题,而且甲醇氧化产生的中间产物COads极易毒化催化剂。因此,研究催化活性高、抗毒化性能好的催化剂对于DMFC的商业化至关重要。
目前,人们对阳极催化剂的研究主要集中在碳载Pt基催化剂,其中PtRu/C催化剂通过双功能机理对甲醇的氧化具有很好的催化活性和抗中毒性能,成为研究最多的阳极催化剂之一。由于DMFC阳极极化严重,还不能像氢质子交换膜燃料电池那样采用低载量催化剂,所以,必须开发高载量PtRu/C催化剂,以减小催化层厚度,减小传质阻力,提高催化效率,降低极化程度。但高载量催化剂的制备因团聚严重、粒径大、分散不均等问题而导致制备困难或催化活性不高。因此,制备出高载量、粒径小、分散均匀的PtRu/C催化剂就显得尤为重要。PtRu/C催化剂的制备方法很多,其中浸渍还原法可以较好地控制粒径而被广泛研究,常用的还原剂有NaBH4、甲醛、水合肼以及乙二醇等,最近有报道在制备催化剂时加入NaH2PO2或直接以NaH2PO2为还原剂,以Vulcan XC-72为载体在碱性条件下制备低载量(20%)PtRuP/C催化剂,具有较小的粒径和较高的分散度。但是,低温下DMFC阳极电催化剂对甲醇的催化活性不高,极化严重,需要高载量催化剂来提高电池输出特性。
中南大学杨志宽等人以次磷酸钠为还原剂,采用浸渍法制备直接甲醇燃料电池用60% PtRuP/C(Pt与Ru的摩尔比为1׃1)催化剂,并考察浸渍液pH值和P元素对催化剂活性的影响。采用X射线衍射、透射电镜、X射线能量分散谱和X射线光电子能谱等对催化剂进行结构、组成及形貌进行表征,通过线性扫描伏安法和计时电流曲线考察催化剂对甲醇氧化的电化学性能。研究结果表明:pH值对催化剂的结构和活性有很大影响,pH值为7时制备的催化剂分散均匀,平均粒径为2.8 nm,并且具有最高的对甲醇催化活性和抗毒化性能;与不含P的PtRu/C催化剂相比,PtRuP/C催化剂具有更高的催化活性,扫速为20 mV/s、电位为0.45 V时氧化甲醇的电流密度达到63 mA/cm2。