碳纳米管负载纳米铂催化剂制备
直接甲醇燃料电池(DMFCs)作为质子交换膜燃料电池的一种, 具有能量密度高、结构简单、清洁环保等优点, 引起了人们的广泛兴趣。催化剂是DMFCs 中的关键材料, 目前广泛使用的Pt 基催化剂, 由于Pt 成本高, 限制了DMFCs 的发展。为了实现DMFCs 的商业化, 降低催化剂的成本是关键,在提高催化活性的同时应尽可能减少Pt 的用量。现有的商业Pt/C 催化剂以炭黑作为载体, 其负载分散性以及催化活性已达到极限, 但是仍然达不到应用推广的要求。因此, 选择新的催化剂载体提高Pt分散性和提高催化剂的催化活性, 对促进DMFCs的发展有着重要的意义。本课题组已研究发现, 在紫外光照射的诱导作用下, 经亚甲基蓝改性的多壁碳纳米管(MWCNTs)作为一种新型的碳载体, 负载Pt 纳米粒子后制备Pt/MWCNTs 催化剂, 在碱性介质中对甲醇的催化活性与商业Pt/C 催化剂相比有明显提升, 表明这种改性方式有利于Pt 催化性能的提高。在此基础上, 本工作进一步系统研究了功能化时间、亚甲基蓝用量、紫外光波长等改性因素对催化剂电催化性能的影响。
Pt 胶体的合成分别量取一定量的丙酮、聚乙二醇-400 和20 mL铂质量浓度为0.6 mg/mL 氯铂酸溶液于250 mL 棕色容量瓶中, 用二次蒸馏水定容至刻度线处摇匀。取50 mL 混合液于石英锥形瓶中, 用波长为254 nm紫外光下照射至UV-Vis 光谱测试曲线不变, 表明还原反应进行完全, 得到深棕色的Pt 胶体溶液。
MWCNTs 的改性分别称取一定量的亚甲基蓝和MWCNTs, 用少量乙醇溶剂超声分散均匀后, 置于一定波长的紫外光下照射一段时间, 并伴随磁力搅拌。然后抽滤, 洗涤, 60℃真空干燥, 得到表面功能化的碳纳米管, 标记为fx-MWCNTs(x 表示不同的改性条件)。
1) x=2、4、6、8 表示紫外光照时间分别为2、4、6、8 h, 亚甲基蓝用量10 mg, 紫外光波长254 nm;
2) x=5、10、15、20 表示亚甲基蓝用量分别为5、10、15、20 mg, 紫外光照时间6 h, 紫外光波长254 nm;
3) x=A、B、C 表示紫外光波长分别为254、300、365 nm, 紫外光照时间6 h, 亚甲基蓝用量10 mg。
Pt/fx-MWCNTs 催化剂的制备按金属负载量20wt%计算, 称取一定量的改性多壁碳纳米管fx-MWCNTs, 分散于100 mL 事先已制备好的Pt 胶体溶液中, 连续磁力搅拌至深棕色完全消失, 抽滤, 滤液用原子吸收光谱检测不含Pt,表明Pt 纳米粒子被完全负载在fx-MWCNTs 上。用大量二次蒸馏水洗涤滤饼, 在60℃下真空干燥12 h,得到Pt 负载量为20%的催化剂Pt/fx-MWCNTs。