不同试验条件下复合材料的扫描电镜图
目前, 全球能源危机迫切需要人们不断地开发新的储能装置. 甲醇燃料电池由于其能量密度高、易操作等优势, 被认为是最有前途的清洁能源器件之一. 研究表明, 燃料电池的性能在很大程度上依赖于所用催化剂的性能. 因此, 寻找高效的催化剂对于探索甲醇氧化反应显得十分必要.
铂是目前发现的最有效的甲醇氧化催化剂之一. 不同形状的铂纳米粒子,比如,立方块铂, 二十四面体铂, 介孔铂, 以及枝状体铂均被报道可作为高效的甲醇氧化催化剂. 虽然基于铂的甲醇燃料电池催化剂的研究已经取得了显著的进展, 然而, 一些挑战性的问题, 例如, 低的甲醇转换率以及缓慢的甲醇电氧化动力学问题仍然是关系到甲醇燃料电池商品化的重要技术障碍.
为了克服这一难题, 以及降低贵金属铂的使用量进而降低催化剂成本, 将高活性铂纳米结构固载到表面积高、导电性好和低成本的载体纳米材料上显得十分必要. 由于具有高的导电性(103～104S•m－1),大的比表面积(计算值, 2630m2•g－1), 独特的石墨化基面结构和潜在的低成本, 石墨烯纳米片在构建新的杂化催化剂方面展现了巨大的优势. 已有文献报道通过电沉积, 自组装, 共还原等方法来实现石墨烯/金属纳米星, 石墨烯/金属纳米粒子, 石墨烯/金属纳米片等材料的制备.另一方面, 由于具有比单一组成的金属纳米粒子更强的催化性能, 双金属纳米粒子已经受到了越来越多的关注. 比如, 金/铂双金属纳米粒子能大大地增加铂的表面积, 这对于提高铂的催化活性十分必要. 最近, Guo等结合石墨烯和双金属的优势,制备了高质量的石墨烯/铂钯双金属纳米枝状物杂化体, 并对其甲醇氧化催化性能进行了研究. 该复合材料显示了较高的甲醇氧化催化活性, 然而, 一些潜在的影响催化剂性能的因素: 如纳米粒子容易聚集, 在石墨烯表面的负载量较低, 依然存在, 亟待解决.
三维组装纳米结构由于能在较小的范围内提供较多的吸附位点, 保证快速的分子传输, 因此能较好地解决上述问题. 近期, Giannelis及其合作者利用冰模板技术构筑了石墨烯/铂纳米粒子三维组装结构. 该材料对甲醇氧化反应具有良好的效果. 然而, 迄今为止,有关三维多孔石墨烯/双金属纳米材料的组装仍未有报道.其主要原因在于很难找到一种简便易行的方法来实现三维多孔石墨烯/双金属杂化体的有效构筑.
中国科学院长春应用化学研究所逯乐慧等人通过简便的溶剂热还原方法以及冰模板自组装技术, 成功构建了三维多孔石墨烯/铂钯双金属杂化体. 三维多孔的结构以及可调的组成成分赋予这种杂化体大的比表面积和高的催化活性, 使其展现了较高的催化甲醇氧化的能力, 为构筑新型高效的甲醇燃料电池催化剂提供了一个新的平台.