三维铂纳米粒子形成过程示意图
开发新型、高效的催化剂是燃料电池中的研究重点之一. 其中铂纳米粒子具有优异的电催化性能, 在燃料电池电催化剂方面有着很好的应用前景. 然而, 铂金属昂贵的成本和稀有的储量限制了其广泛的应用. 解决该问题的最好方法就是尽可能地提高其利用率, 即在催化过程中尽可能地利用到每一个铂原子的催化性能, 从而减少铂的用量. 近年来的研究表明, 铂纳米材料的电催化性能很大程度上取决于材料的尺寸和形貌. 因此,合成形貌可控的铂纳米材料对于燃料电池的发展具有重大意义. 到目前为止, 多种形貌的铂纳米材料已合成出来.其中, 多孔和三维铂纳米结构因其较大的比表面积, 在保持一定催化活性的前提下能够减少铂的用量, 且所具有的三维孔状结构有利于大量地传输反应分子, 提高反应效率, 因而受到了人们的广泛关注.
到目前为止,尽管关于多孔和三维铂纳米结构的合成已见报道, 但其制备方法通常较为繁琐, 费用高, 不利于实际应用. 因此, 发展简单、快速、形貌可控的合成多孔和三维铂纳米催化剂的方法仍是极具挑战的课题.
南京大学化学化工学院侯文华等人在室温条件下, 采用超声辅助电化学方法合成了几种三维铂纳米电催化剂. 利用透射电子显微镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)以及电化学测试对该三维铂纳米电催化剂进行了表征. 结果表明, 这些铂纳米电催化剂的形貌、结构可以通过添加不同的形貌控制剂来调控, 在水溶液、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液和十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)溶液中分别得到了立方海绵状铂、分枝状铂和球形多孔状铂. 其中, 球形多孔状铂纳米电催化剂由于其多孔的结构, 因此具有更高的电化学活性面积, 对氧气还原和甲醇氧化反应具有更好的催化作用.