铂纳米空心球的表征
甲醇具有比能量密度大、来源丰富和存储运输方便等优点, 因此直接甲醇燃料电池(DMFC)的研制一直备受人们的关注. 迄今为止, 贵金属铂仍然是甲醇等有机小分子阳极氧化最好的催化剂. 但因其资源有限、价格昂贵和甲醇阳极氧化过程中产生的中间体CO等强烈地吸附在铂电极表面等原因, 导致电极活性、稳定性和成本等均难以满足DMFC实际应用的要求. 因此, 减少铂金属用量, 提高其催化活性和稳定性, 延长使用寿命和寻找催化性能更为优异的阳极材料仍然是目前DMFC研究的热点.
金属纳米材料具有独特的物理、化学性质, 在光学、电学、磁学和催化等领域具有广泛的应用前景. 而纳米材料的性能常取决于纳米粒子的种类、组成、尺度、结构及其排列方式等因素. 因此, 不同尺寸、结构和形状的纳米粒子的可控合成一直是纳米材料研究的热点之一.而构建空心球壳结构的金属纳米粒子在一定程度上比一般堆积或分散的金属纳米粒子具有更优异的金属性能, 因此合成组成可调, 粒径、壳厚可控的过渡金属空心球状纳米粒子, 是构建催化性能优异的新型催化剂的新途径.
空心球状纳米粒子的制备方法较多, 其中模板法被普遍认为是一种简单有效的方法. 人们所使用的模板主要有聚苯乙烯、二氧化硅、硒、钴和银等胶体粒子. 与其他模板相比, 硒胶体粒子具有许多自身的优点, 如合成方法简单、易被除去,特别是某些金属可在其表面上直接发生原电池反应沉积形成均匀、连续和尺寸可控的金属纳米壳层, 可望使合成的空心纳米结构材料表现出优越的性能.
江西师范大学化学化工学院饶贵仕等人以粒径为100 nm的硒球作模板, 在室温下批量合成了粒径约110 nm、壳厚约5 nm的铂空球. 采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)、选区电子衍射(SAED)、X射线衍射(XRD)、能量色散X射线谱(EDX)等检测技术表征了其形貌与结构; 以甲醇为探针分子研究了铂纳米空球修饰玻碳电极对甲醇电氧化的催化性能. 结果表明, 由铂原子簇团构筑的多孔铂空球粒径均匀、分散性好、结构稳定、比表面积大、传质性能好, 是甲醇氧化的理想催化材料. 循环伏安(CV)结果表明: 当甲醇氧化的电流密度为0.10 mA·cm-2,正扫时, 铂纳米空球的氧化电位与实心铂纳米粒子及铂黑相比, 分别负移了约110 和64mV; 负扫时, 前者比后两者分别负移了约51与13 mV. 经800圈循环伏安扫描后, 正扫时, 甲醇在铂纳米空球上氧化峰的电流密度为实心铂纳米粒子及铂黑上的13和15倍; 负扫时, 前者为后两者的19和38倍. 表明铂纳米空球对甲醇氧化具有较好的催化活性和稳定性.