铂纳米空球的SEM和TEM图
C1有机小分子(如HCOOH、CH3OH、HCHO等)可作液体燃料电池的燃料而备受人们的广泛关注,而甲醛从分子式看是最简单的C1有机小分子,且是甲醇等有机小分子氧化的主要中间体之一,国内外电化学工作者已对甲醛在阳极上的氧化过程进行了比较广泛(深入的研究,获得了大量有价值的信息。据报道,贵金属Pt、Pd、Ru和Au等为大部分液体燃料电池阳极的高效催化剂,特别是Pt材料无论在酸还是碱性介质中,迄今为止仍然是C1有机小分子电催化氧化最好的单组分催化剂。
但因Pt催化材料资源稀缺、价格昂贵,从而阻碍了其在燃料电池中的商业化进程。因此,降低金属铂的用量,提高其利用效率、催化活性及稳定性,延长使用寿命和寻找性能更为优异的阳极催化材料仍然是目前燃料电池的研究热点。人们首先想到的是将常规金属铂纳米化以提高其催化活性和利用效率,但因纳米材料表面积大,表面能高,易团聚而降低催化活性,亦限制了其稳定性和使用寿命,于是人们将铂纳米粒子负载在高比表面积的碳粉上,制成碳载铂,虽然在一定程度上提高了其稳定性和使用寿命,但是碳粉在一定电位下易氧化腐蚀,难以避免其负载的铂纳米粒子因逐渐脱落、团聚而失活。然而金属空心(如球形、棒形等)催化材料表面多孔、比表面积大、密度低、利用效率高,由壳层支撑的纳米粒子结构的催化活性和稳定性好,在一定程度上表现出比实心纳米粒子更优越的催化性能。
江西师范大学化学化工学院程美琴等人以纳米硒球为模板,H2PtCl6为前驱体,以抗环血酸为还原剂,SDSN作稳定剂,在室温下批量制备了铂纳米空球(PtHollow)及其修饰玻碳(GC)电极(PtHollow/GC)。使用XRD、SEM和TEM等检测技术表征了其形貌与结构,结果表明,所制备的铂纳米空球分散性好,粒径比较均匀,约为120nm;球壳多孔,壳厚<10nm,由多维、多级的多晶铂原子团簇所构建。以甲醛为探针分子,采用循环伏安及计时电流等常规电化学方法比较了电活性面积基本一致的PtHollow/GC和电沉积铂纳米粒子(Ptnano)修饰GC电极(Ptnano/GC)催化甲醛氧化的性能,结果显示,位于0.64V处的氧化峰电流密度,前者是后者氧化峰电流密度的1.5倍;氧化电流密度为0.5mA·cm。处的氧化电位,前者比后者负移了约30mV。实验结果表明,与Ptnano/GC电极相比,甲醛在PtHollow/GC电极上氧化的活化能低,反应速度快,催化活性高。所得结果为直接甲醛燃料电池阳极催化剂的研制提供了一定的实验与理论依据。