催化剂的TEM: (a) Au/CB; (b) Au/MPC
以硼氢化钠为燃料的直接硼氢化钠燃料电池(DBFC), 由于具有比能量高、阳极反应动力学快、产物清洁无污染、燃料易于储存和运输等优点, 近年来受到了广泛的关注. 理论上,硼氢化钠在碱性条件下的氧化能产生8个电子:
4BH-＋8OH-→2BO-＋6H2O＋8e-
然而硼氢化钠在绝大多数金属表面上很难实现8e-氧化. Gyenge等对硼氢化钠在Pt、Au片上的电氧化行为进行了研究, 发现BH4- 在u电极上的氧化为8e-反应. 但是BH4-在Au电极上反应时存在过电位较高, 极化较大. 为了提高对BH4-的催化活性, 增大金属粒子的有效催化表面积是常见方法. 一般是将金属粒子负载到高比表面积的炭黑上. 其它材料如钛网、二氧化钛纳米管等材料用做硼氢化钠电催化剂载体也有报道.
Cheng等研究了钛网作为DBFC阳极催化剂载体, 发现钛网载Au, Ag催化剂比VXC-72R炭黑载Au, Ag对BH4-有更好的催化性能; Ponce-de-León等研究了BH4- 在二氧化钛纳米管载 Au 电极上的电氧化性能, 发现在BH4-的电氧化过程中其吸附电荷量是Au/C的两倍.
中孔(2～50nm)炭具有有序的一维或二维结构, 且具有较大的比表面积, 在催化剂载体、吸附、超级电容器等方面获得了广泛应用, 据报道以其作为载体能解决燃料电池中金属纳米粒子的分散和稳定性问题.Nam等研究了用中孔炭载Pt对直接甲醇燃料电池(DMFC)性能的影响, 发现用中孔炭作载体的DMFC有更好的电池性能, 最大功率密度达到了62 mW•cm-2. 党王娟等研究了中孔炭载Pt催化剂的分散性和电催化活性,循环伏安测试结果表明以中孔炭为载体, 可大大改善催化剂中 Pt 微粒的分散性, 从而增大了Pt微粒的比表面积, 催化剂的电化学活性表面积相应增加, 其催化性能优于使用炭黑作载体的Pt/C催化剂。
湘潭大学化学学院王先友等人分别以中孔炭(MPC)和VXC-72R炭黑作载体, 制备了中孔炭载纳米Au粒子(Au/MPC)和VXC-72R炭黑载纳米Au粒子(Au/CB), 并将其用作直接硼氢化钠燃料电池阳极电氧化催化剂. 分别用X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等比较了不同载体催化剂的结构和形貌. 结果表明, 纳米Au粒子均为面心立方结构,Au/MPC中纳米Au粒子的粒径为16nm左右比Au/CB中的纳米Au粒子的更小, 且均匀分散在载体的表面. 用循环伏安曲线和动电位极化曲线等比较了不同载体催化剂的电化学特性. 结果表明, Au/CB 的电流密度为38.10 mA•cm-2, 而Au/MPC的电流密度达到42.88mA•cm-2,比Au/CB的电流密度提高了12.5%.