不同铂催化剂的TEM照片
质子交换膜燃料电池(PEMFC)常用碳载铂或铂合金作为氢、氧气体电极电化学反应的催化剂. 为降低铂的用量, 提高铂的利用率,通常采用高比表面的碳黑、石墨粉等为载体, 以获得粒径小、分散度高的Pt催化剂. 然而, 近几年快速发展的介孔碳材料合成技术, 为铂催化剂的载体提供了更好的选择.
与传统的碳材料比较, 介孔碳材料具有较高的比表面积(1400-2000 m2·g-1)、较好的孔道结构, 因而更有利于反应物与产物的传质. 如用SBA-15为模板, 糠醇为前驱体合成的介孔碳材料(CMK-5), 具有六角形规则的孔道结构, 1500 m2·g-1以上的比表面积和较好的导电性能. 使用这种介孔碳为Pt催化剂的载体, 负载Pt的质量分数为2%时, Pt微粒的粒径可以小至1.3 nm, 负载Pt的质量分数为50%时, Pt颗粒的粒径仍可控制在3 nm以下. 而对Vulcan XC-72炭黑材料来说, 利用相同的制备方法所得碳载Pt催化剂(50%), 其粒径则可能大于30 nm.
一般而言, 以介孔碳为载体, 可采用多种方法获得碳载Pt或Pt合金作为燃料电池的催化剂. Nam等利用介孔硅SBA-15为模板合成介孔碳载体, 通过浸渍-气/固高温还原方法制备了介孔碳负载高分散的铂纳米粒子电催化剂, DMFC单电池测试表明这种催化剂具有良好的电化学催化活性, 其能量密度可达61 mW·cm-2, 电池的开路电位高达0.67 V,极限电流密度超过200 mA·cm-2. Ding等先利用介孔硅SBA-15负载纳米铂粒子, 然后引入碳源进行高温碳化, 进而得到Pt/CMK-3电催化剂, 并制备了气体扩散电极以研究该催化剂氧还原的循环伏安性能, 结果表明Pt/CMK-3的电催化性能已超过商用催化剂的性能. Choi等在介孔硅SBA-15的孔道中同时真空聚合碳源和铂前驱体, 碳源的聚合和碳化过程很好地阻止了铂前驱体的聚集和迁移, 进而得到了具有超细小Pt粒径的PtC纳米组成物, 其颗粒的粒径大约为2.9 nm, 还发现Pt主要分布在介孔碳CMK-3的孔壁上, 而不是在碳载体的外表面.
DMFC单电池测试结果表明, Pt/C纳米复合物比商用Pt/C(EC-20-PTC)催化剂具有更高的开路电位和更大的电流密度.由于多种因素的作用, 碳表面纳米铂微粒的分散性有时未必尽如人意, 其性能因此也呈现较大的随机性.近年来,已有众多研究人员致力于改善纳米铂微粒的分散性能. 如Hui等利用两性表面活性剂SB12为稳定剂, 制备了分散性较好的Pt/C催化剂, 还分别研究了表面活性剂与铂源的摩尔比、pH值以及表面活性剂的去除等对Pt分散性的影响.
为了改善铂纳米微粒的分散性能和控制铂微粒的生长,南京航空航天大学材料科学与技术学院何建平等人以介孔硅SBA-15为模板,糠醇为碳源制备了高度有序的介孔碳(CMK-5), 并用微波法合成碳负载的铂纳米粒子的催化剂. 为改善铂微粒的分散性能, 在微波碳载过程中添加了适量的阳离子表面活性剂(CTAB).XRD和TEM测试结果表明, CTAB的加入改善了铂催化剂的分散性,且使铂微粒的平均粒径降至2.9 nm 左右.循环伏安测试结果显示, 加入CTAB后所得Pt/CMK-5催化剂的电化学活性面积大于未加CTAB的以及商业Johnson Matthey公司的Pt/C催化剂的活性面积.