三氧化钨-碳纳米管-铂复合材料催化氧化甲醇活性

                                                   CNT(a), WO₃CNT(b),PtCNT(c)和Pt-WO₃CNT(d)的TEM图

　　碳纳米管具有独特的中空管腔结构和优异的电子性质、吸附性能和力学及热力学稳定性能等优点, 被认为是优良的催化剂载体之一. 在直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极催化剂的研究中, 很多以碳纳米管为载体, 催化剂主要以负载Pt基金属(如 Pt、Pt-Ru和Pt-Sn等)为主. 但因Pt资源有限、价格昂贵和易被甲醇氧化的中间产物毒化等原因导致难以满足DMFC实际应用的要求. 因此, 减少贵金属铂用量, 提高其催化活性和稳定性, 寻找催化性能更为优异的阳极电催化材料仍然是目前DMFC研究的热点.

        研究发现, 过渡金属元素或氧化物与铂形成合金或复合物时, 不仅可以降低铂的用量, 同时还能促进对甲醇氧化的催化活性. 三氧化钨(WO₃)在酸性溶液中能够形成具有导电性能的非化学计量比氢青铜(H_xWO₃), 低氢含量的氢青铜能够接受质子,促进甲醇在铂上的氧化, 高氢含量的氢青铜能够提供质子, 促进氧在铂上的还原, 研究结果表明,Pt/WO₃和Pt-Ru/WO₃催化剂对一氧化碳、甲醇、乙醇和甲酸都表现出较好的电催化氧化活性. 但是WO₃作为催化剂载体存在导电性能差和比表面积小等缺点, 限制了在直接甲醇燃料电池中的应用.

        针对以上问题, 研究者将WO₃修饰在具有良好导电性和高比表面积的碳材料表面, 负载活性成分Pt后有效提高了对甲醇的电催化性能.

        浙江工业大学化工材料学院周阳等人采用表面修饰技术将碳纳米管(CNT)表面羧基化, 通过羧基将钨离子基团修饰到碳纳米管的外表面, 再通过高温焙烧处理将钨离子基团氧化成WO₃, 成功合成了纳米WO₃/CNT复合物, 进一步还原Pt的前驱体而得到Pt-WO₃/CNT复合催化剂. 采用X射线粉末衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对样品的形貌和晶型结构进行了表征, 结果表明, Pt纳米粒子为面心立方晶体结构, 均匀地分布在WO₃修饰的碳纳米管表面. 采用循环伏安(CV)和计时电流法研究了在酸性溶液中Pt-WO₃/CNT催化剂对甲醇的电催化氧化活性, 结果表明WO₃修饰的碳纳米管载铂催化剂比用混酸处理的碳纳米管载铂催化剂对甲醇呈现出更高的电催化氧化活性和更好的稳定性.