碳纸负载高指数晶面铂纳米粒子的制备及其在直接甲酸燃料电池中的催化性能研究
直接甲酸燃料电池(DFAFCs)是近年来发展起来的一种低温液体燃料电池，室温下甲酸以液体形式存在，与氢气相比携带方便. 同时，甲酸的毒性远小于甲醇，是较为安全的液体燃料. 甲酸对Nafion膜的渗透相对缓慢，远低于甲醇. 因此，DFAFCs是一种很有前景的用于可移动电25 子设备的电源.目前，铂基、钯基催化剂仍然是DFAFCs阳极不可或缺的催化剂. 铂对甲酸的电催化氧化在低过电位区COad毒化严重，钯对甲酸的电催化氧化活性高于铂，但钯的稳定性较差，容易失活，而铂的稳定性则较好.铂元素在地壳中储量稀少，提炼工艺复杂，价格昂贵，如何提高铂纳米粒子的催化活性和稳定性，以降低铂的用量是目前DFAFCs以及相关重要领域亟需解决的问题. 金属单晶模型催化剂的研究指出，铂单晶的高指数晶面通常具有比低指数晶面更高的催化活性. 但由于其表面能较高，由高指数晶面围成的纳米粒子难于制备. 田娜等7首次报道了在玻碳电极表面利用方波电沉积的方法制备出由{730}高指数晶面组成的铂二十四面体纳米晶体，其对甲酸、乙醇电氧化催化活性和稳定性显著优于低指数晶面纳米粒子. 在直接燃料电池中，铂纳米粒子在膜电极中的分布也影响电池性能, 铂纳米粒子同时与燃料分子和固体支持电解质（Nafion）接触可以提高其利用率. 用电沉积的方法可以选择性地在基底与Nafion膜接触的表面沉积催化剂粒子，减小催化层厚度，同时降低贵金属的用量，提高贵金属的利用率. Jaeseung Lee等报道了在Nafion-Na+修饰的碳层表面利用脉冲电沉积法制备超低铂载量的膜电极，所制备的铂纳米粒子仅分布在碳黑表面与Nafion-Na+有离子导电性的地方，使催化层的厚度及铂的用量均显著降低. 利用该方法制备的阳极铂载量为0.025 mg•cm-2的膜电极在H2-O2燃料电池测试中性能优于传统喷涂法制备的阳极铂载量为0.30 mg•cm-2的膜电极.黄龙等运用电化学方波电位法，在碳纸上直接电沉积制备HIF-Pt/C-paper，调控其晶面结构、尺寸和沉积密度. 以所合成的HIF-Pt/C-paper作为阳极催化剂，组装DFAFCs，测试了单电池的性能和稳定性，结果显示出很高的质量比活性和稳定性.
电沉积在三电极体系电解池中进行. 工作电极为1.5 cm×1.5 cm 的Toray-60碳纸或XC-725 碳黑修饰的Toray-60碳纸，参比电极为银-氯化银（3 M NaCl溶液）电极，对电极为铂片. 用XC-72碳黑修饰Toray-60碳纸的过程如下：将XC-72碳黑分散在异丙醇中，加入碳黑10 wt%的Nafion，超声使碳黑充分分散在异丙醇中，并与Nafion混合均匀。碳纸置于70℃电热板上，用喷枪将碳黑喷涂在碳纸上。调节碳纸表面碳黑负载量在0.5 mg∙cm-2至2 mg∙cm-2之间变化。碳纸为基底先将工作电极浸于0.1 M H2SO4中， 2V电位下氧化5 min，增加碳纸或碳黑的亲水性. 然后将溶液更换为含有的2.0 mM H2PtCl6和0.1 M H2SO4的镀铂液，在工作电极施加成核电位（-0.30 ~ -0.80 V）在碳纸基底上形成晶核，成核时间0.3~5 s；随后施加方波电位10 min，方波的上限电位1.20～1.45 V，下限电位-0.15～0.10 V，方波频率0.5 Hz～25 Hz，制得碳纸负载高指数晶面铂纳米粒子催化剂.