析氢对铂电沉积过程的影响
近来, 质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术取得了一系列重要进展, 在移动设备、电动车(EV)、分布式电站等领域有广泛的应用前景.但是, PEMFC膜电极制备主要方法有喷涂、印刷、真空溅射等.由于Nafion树脂的包裹和PtC粉末的相互团聚,影响了催化剂Pt的利用率. 而且, 在电池使用过程中催化剂颗粒将会增大, Wilson等发现, 催化剂颗粒的长大会导致60%的活性表面积损失.Taylor等曾采用直流电将Pt选择性地沉积在Nafion溶液浸渍过的聚四氟乙烯(PTFE)粘结的碳黑多孔电极上, 有效地避免了Pt催化剂因为被PTFE包裹而丧失活性. Kim等人采用脉冲电沉积的方法制备了用于氧还原的催化电极, 发现电沉积制备催化电极断面上, Pt担载量成梯度分布有利于提高电极的催化活性. 然而, 运用电沉积法制备Pt催化电极时, 随着Pt在电极上的沉积, 因其优异的催化析氢功能,电极上将大量析出H2.
析氢反应,一方面,使沉积金属Pt的效率大大降低; 另一方面,附着在电极表面的H2将阻止电解质与电极接触, 使进一步的金属电沉积无法继续实施.此外, 直接电化学沉积金属Pt 还存在着所沉积Pt晶粒尺度过大的问题.
重庆大学刘勇等人通过调制脉冲电流在质子交换树脂(Nafion)粘接的无催化多孔碳电极(UCE)上电沉积Pt催化剂, 对所沉积Pt催化电极性能及负载量用循环伏安法(CV)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)及分光光度法进行了表征. 结果表明, 通过调制电沉积过程的脉冲参数, 能够实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)电极Pt催化剂的直接电化学沉积, 能够调控电沉积Pt粒径, 并能有效地缓解电沉积过程中析氢对沉积金属催化剂铂的干扰, 所沉积的Pt催化剂利用率较传统Nafion 粘接Pt/C催化电极要高. 脉冲导通时间ton为300 μs、断通时间toff为1200μs,脉冲峰值电流密度jp为100 mA·cm-2时, 电沉积120 s制得的电极的Pt晶粒约5-8 nm, Pt 表面利用率为43.14%, 沉积Pt的电流效率为45%.