不同催化剂的TEM照片
近年来, 由于直接乙醇燃料电池(DEFC)的乙醇燃料使用安全、来源丰富、价格低廉、易携带和储存等独特的优越性, 使其在诸如手机、笔记本电脑等与人体密切接触的可移动电源领域中, 有着广泛的潜在应用. 目前, 用乙醇作为燃料的问题之一是常用的Pt阳极催化剂对乙醇氧化的电催化活性较低.因此, 如何进一步提高Pt及Pt基复合催化剂对乙醇电催化氧化的活性是一个重要的研究课题.
一般从以下两个方面提高Pt及Pt基金属催化剂的催化性能: 一是制成Pt基复合催化剂, 如Pt-Ru、Pt-Sn等, 通过多元金属之间的相互协同效应提高催化剂的活性和稳定性; 二是通过优化Pt及Pt基催化剂中金属粒子的结构来提高催化剂的利用率.
Pt/C催化剂中Pt粒子的粒径对其电催化活性的影响是一个很重要的研究课题. 从理论上讲, 在指定反应物和催化剂物种的情况下, 为了提高表观电流密度, 必须增加催化剂的比表面积, 即要减小Pt粒子的大小. 因此, 以前的研究认为Pt粒子越小, 催化剂表面积越大, 活性中心更多, 催化活性更高. 然而, Attwood等在研究不同粒径Pt/C催化剂对甲醇电催化氧化活性时发现, 对甲醇的电催化氧化, Pt粒子并不是越小越好, 而是存在着一个最佳粒径. 后来的研究也进一步证明, Pt/C催化剂对甲醇电氧化和氧气电还原存在着明显的粒径效应.
在以前研究催化剂粒径效应时,存在的一个问题是不同粒径的催化剂常用不同方法制备, 而不同制备方法获得的催化剂的表面基团和表面微结构不一样, 导致金属粒子和炭载体的表面物理化学性质及金属和载体之间的相互作用也不相同, 从而使粒径效应的研究结果失去了准确性. 另外, 基本上还没有关于粒径效应对乙醇电催化氧化的影响的报道.
南京理工大学材料化学实验室唐亚文等人利用有机溶胶方法, 通过控制溶剂挥发温度制备了具有不同粒径大小的Pt/C催化剂. 制得的Pt/C催化剂中, Pt粒子具有非常优异的均一性和良好的分散度. 电化学研究表明, 对于乙醇的电催化氧化, Pt/C催化剂存在着明显的粒径效应. 当Pt粒子粒径为3.2 nm 时, Pt/C催化剂对乙醇的电催化氧化的质量比活性最佳. X射线光电子能谱(XPS)的研究显示, Pt/C催化剂对乙醇氧化的粒径效应与其零价Pt含量以及Pt粒子的比表面积密切相关。