图3 CO-脱除性能.实线和虚线分别代表第一和第二个循环, 扫速为20 mV•s-1, 0.5 mol•L-1 H2SO4电解液
Figure 3. Cyclic voltammetry (CV) curves of the first (solid line) and second (dashed line) CO stripping in 0.5 mol•L-1 H2SO4 at the scan rate of 20 mV•s-1.
直接甲醇燃料电池(DMFC)具有能量转换效率高、环境友好、低温启动速度快、燃料甲醇易输运且来源广泛、电池结构简单等优点, 在便携式电源等方面有广阔应用前景[1, 2]. DMFC的阳极发生甲醇氧化反应(MOR), 通常采用Pt/C催化剂. Pt/C催化剂的活性高, 但存在稳定性差、抗CO中毒能力低等不足, 因此, 开发催化活性高、抗CO中毒能力强和稳定性好的催化剂尤显重要.将Pt与其他金属(Ru[3]、Sn[4]、W[5]、Cu[6]、Mo[7]等)合金化构建双元或多元合金催化剂能够有效降低成本, 优化电催化性能.其中, Pt-Ru催化剂因具有优异的甲醇氧化催化活性和良好的抗CO中毒能力而备受关注.金属Ru的引入能够显著增强Pt催化剂的CO氧化脱附能力, 使其活性位重新暴露, 这就是目前被广泛接受的Pt-Ru催化剂抗中毒性能的双功能机制[8].调变载体的结构和组成是提高Pt基催化剂MOR性能的另一条有效途径.理想的载体应具有以下特征:大比表面积、合适的金属-载体相互作用和孔结构.这些特征有利于金属纳米粒子在载体表面的均匀分散、固载、减小粒径、增加电活性表面积、参与反应物质的传输等, 进而促进催化剂的电催化性能[9~13].碳材料具有来源广泛、形态结构丰富、导电性好、抗腐蚀能力强、比表面积和孔结构易于调控、还易于掺杂等特点, 是构建高性能MOR催化剂的常用载体, 包括碳基纳米管[10, 14, 15]、多孔碳[16~19]、碳气凝胶[20]、石墨烯[21]和纳米金刚石[22]等.在石墨碳层中引入杂原子能够有效引入锚定位点, 促进催化活性物种的分散, 调节金属-载体的相互作用, 从而调变电催化性能[9~11].我们的前期研究表明, 无需对氮掺杂碳纳米管(NCNTs)进行任何预处理, 通过简便的乙二醇还原法就可将Pt基纳米粒子(Pt、Pt-Co、Pt-Ru等)均匀地负载在NCNTs表面.这些催化剂展现出优异的MOR[9, 10]和氧还原(ORR)[23]电催化性能.然而, NCNTs的比表面积一般仅约200 m2•g-1, 在碳基载体中并不突出.最近, 我们课题组通过原位MgO模板法制备出了具有比表面积高(>1000 m2•g-1)、导电性好、微孔-介孔-大孔共存等特征的分级结构碳基纳米笼, 在能源转化和存储等方面表现出优异性能[24~30].本文以分级结构的氮掺杂碳纳米笼(hNCNC)为载体, 通过微波辅助乙二醇还原法将Pt-Ru合金纳米粒子高度分散于该载体, 并调变了Pt、Ru的原子比.这些催化剂展现出优异的MOR催化活性和稳定性以及良好的抗CO中毒能力, 优于Pt/hNCNC和商业PtRu/C(20 wt%)等对照组催化剂.
图 2是Pt-Ru/hNCNC系列催化剂的X射线光电子能谱(XPS). Pt/hNCNC的Pt4f精细谱可拟合为两组峰, 分别对应于Pt(0)和Pt(II)物种的4f7/2和4f5/2(图 2a)[31]. Ru/hNCNC的Ru3p精细谱可归属为Ru(0)和Ru(IV)物种(图 2b)[31].这两个样品中金属态Pt(0)和Ru(0)占主导, 与HRTEM和XRD结果相一致(图 1b, 1c, 1e), 表明在微波辅助乙二醇反应条件下, Pt和Ru盐能被有效地还原成零价的金属.对比该系列样品的Pt 4f和Ru 3p3/2精细谱可知, 随着Pt-Ru合金中Ru含量的增加, Pt 4f峰强度下降, Ru 3p峰强度升高; Pt 4f的结合能逐渐向高结合能方向偏移了约0.2 eV, 而Ru 3p3/2的结合能没有明显的偏移(图 2c, 2d). Pt 4f的结合能偏移源于Pt和Ru合金化带来的电荷转移引起d价带中心向高结合能位移[10].
以hNCNC为载体, 通过微波辅助乙二醇还原法将Pt-Ru合金纳米粒子分散在hNCNC载体上.金属物种的总投料量为30 wt%, 通过改变投料比调变n(Pt):n(Ru)的物质的量比.电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)测试结果表明, Pt/hNCNC、Pt2Ru/hNCNC、PtRu/hNCNC、PtRu2/hNCNC和Ru/hNCNC中的金属总负载量依次为29.2、29.5、28.9、29.1和29.5 wt%, 三个合金催化剂的n(Pt):n(Ru)物质的量比依次为2.0:0.9、1.0:1.1和1.0:2.1.总负载量及n(Pt):n(Ru)物质的量比均与投料比接近.
抗CO中毒能力是衡量MOR催化剂性能的重要指标.采用CO-脱除(CO-stripping)法考察了Pt-Ru/hNCNC系列催化剂的电化学活性表面积(ECSA)和去除CO的能力, 结果如图 3和表 1所示.第一圈扫描时, 在-0.2 V附近没有出现氢吸附峰, 在0.25~0.65 V区间出现了CO氧化峰, 反映出Pt活性位点被吸附的CO占据.第二圈扫描时, 出现了氢吸附峰, 没有出现CO氧化峰, 说明在第一圈扫描时, 被吸附的CO已经被完全氧化去除, 活性位点得以释放(图 3).从表 1中可以看出, 随着Ru含量从0增加到100%, ECSA从28.1 m2•g-1增大到46.1 m2•g-1, 高于商业20% PtRu/C的21.2 m2•g-1, 源于hNCNC负载的纳米粒子的均匀分散及小粒径(图 1b, 1c). CO氧化峰的起始电位(Eonset)和峰电位(Epeak)从Pt/hNCNC的0.50和0.59 V大幅负向移动到Pt2Ru/hNCNC的0.28和0.44 V; 进一步增加Ru含量, Eonset和Epeak小幅负移到0.25和0.42 V, 与Ru/hNCNC的0.26和0.42 V相当.这说明在Pt催化剂中引入Ru后能够在更低电位下通过氧化有效地去除CO, 显著提高催化剂的抗CO中毒能力, 当n(Pt):n(Ru)=1:1时表现出了最强的CO去除能力.抗CO中毒能力的增强可归因于Pt-Ru合金催化剂的双功能机制[32~34].
图4 MOR性能. (a) CV曲线, 扫速50 mV•s-1. (b)在0.6 V恒电位下的I-t曲线.电解液:氮气饱和的1 mol•L-1 CH3OH+0.5 mol•L-1 H2SO4溶液
Figure 4. MOR performances. (a) CV curves at the scan rate of 50 mV•s-1. (b) Chronoamperometric (I-t) curves at a constant voltage of 0.6 V. Electrolyte: N2-saturated 1.0 mol•L-1 methanol and 0.5 mol•L-1 H2SO4 solution
图1 hNCNC载体及Pt-Ru/hNCNC催化剂的结构表征. (a~c) hNCNC、Pt/hNCNC和PtRu/hNCNC的TEM照片.右上角插图为HRTEM, (a, c)的右下角插图为SEM. (d) hNCNC的氮气吸附-脱附等温线和孔分布曲线. (e) Pt-Ru/hNCNC系列样品的XRD衍射谱. 1~5对应于Pt/hNCNC、Pt2Ru/hNCNC、PtRu/hNCNC、PtRu2/hNCNC和Ru/hNCNC(下同)
Figure 1. Structure characterizations of Pt-Ru/hNCNC catalysts and support. (a~c) TEM images of hNCNC, Pt/hNCNC and PtRu/hNCNC. The top-right insets are HRTEM images and the bottom-right ones of (a, c) are SEM images. (d) Plots of N2 adsorption-desorption isotherms and pore size distribution. (e) XRD patterns. 1~5 correspond to Pt/hNCNC, Pt2Ru/hNCNC, PtRu/hNCNC, PtRu2/hNCNC and Ru/hNCNC (the same below)
| Sample | CO-stripping | MOR | ||||
|
Eonset/ V |
Epeak/ V |
ECSA/ (m2·g-1) |
If/ (mA·mg-1) |
If/ Ib | ||
| Pt/hNCNC | 0.50 | 0.59 | 28.1 | 127.7 | 0.99 | |
| Pt2Ru/hNCNC | 0.28 | 0.44 | 29.6 | 208.2 | 1.58 | |
| PtRu/hNCNC | 0.25 | 0.41 | 34.4 | 224.7 | 1.64 | |
| PtRu2/hNCNC | 0.25 | 0.42 | 36.6 | 163.7 | 2.24 | |
| Ru/hNCNC | 0.26 | 0.42 | 46.1 | — | — | |
| PtRu/C a | 0.26 | 0.36 | 21.2 | 148.1 | 2.05 | |
| a金属负载量为20%的商用PtRu/C催化剂(E-TEK). | ||||||
图 1是hNCNC载体和Pt-Ru/hNCNC系列催化剂的结构表征结果.透射电子显微镜(TEM)及扫描电子显微镜(SEM)照片显示, hNCNC呈多孔球形介观结构, 由尺寸约40 nm的空心纳米笼相连成纳米片、进而组装而成[27, 28].纳米笼壁由约6~8层碳层构成, 石墨化程度良好(图 1a).氮气吸附-脱附等温线和孔分布曲线表明, hNCNC中微孔、介孔、大孔共存, 比表面积为1230 m2•g-1, 其中微孔尺寸约为0.6 nm, 主要来自穿过笼壁的孔, 介孔尺寸约35 nm, 主要来自笼内空腔和笼间堆积, 尺寸大于50 nm的大孔主要来自片层堆积孔和球状颗粒堆积孔(图 1d)[24, 25, 27~30]. hNCNC的高比表面积有利于金属纳米粒子的高度分散, 多尺度分级孔结构有利于甲醇等参与反应物质的传输, 高导电性有利于电子传输, 这三者可协同促进电催化反应的进行. TEM结果显示Pt和PtRu纳米粒子的尺寸约为3 nm, 均匀地分散在hNCNC表面(图 1b, 1c).高分辨TEM(HRTEM)结果显示, PtRu纳米粒子的晶面间距为0.223 nm, 比纯Pt的(111)面间距(0.230 nm)略小(图 1b, 1c), 这是因为Ru的原子半径(1.34 Å)比Pt(1.39 Å)小, 形成合金后使得晶面间距缩小. X-射线衍射谱(XRD)显示, 位于39.7°、45.4°、67.4°和81.1°的衍射峰可归属为面心立方结构Pt的(111)、(200)、(220)和(311)晶面(图 1e); 随合金中Ru含量逐渐增加, 各衍射峰逐渐向高角度偏移, 没有出现纯Ru的衍射峰. XRD和HRTEM结果证实了Pt和Ru的合金化(图 1b, 1c, 1e). XRD衍射谱26°附近较强的衍射峰可归属为石墨的(002)晶面, 说明hNCNC具有良好的石墨化程度.
采用循环伏安(CV)和计时电流(I-t)法进一步表征系列催化剂的MOR催化活性和稳定性, 结果如图 4所示.在正向扫描过程中, 在0.65 V左右出现的峰归属于甲醇氧化(峰电流密度标记为If); 在反向扫描过程中, 在0.45 V附近出现的另一个氧化峰归属为中间含碳产物(CO和类CO物种)的二次氧化(峰电流密度标记为Ib)[10, 35]; Ru/hNCNC没有甲醇氧化活性, 与文献结果一致(图 4a)[36].由图 4a和表 1中If值可知, 催化剂的MOR催化活性顺序为: PtRu/hNCNC>Pt2Ru/hNCNC>PtRu2/hNCNC>PtRu/C>Pt/hNCNC, 其中PtRu/hNCNC的MOR活性约为商业PtRu/C的1.5倍. Pt-Ru/hNCNC合金催化剂的优异MOR活性可归因于: (1)金属纳米粒子在hNCNC表面的均匀分散及小粒径, (2)hNCNC的多尺度分级孔结构有利于参与反应物质的传输(图 1a~1d).一般而言, If/Ib比值越高, 表示催化剂抗CO中毒能力越好[10, 35].由表 1的If/Ib数据可知, 随着Ru含量增加, If/Ib值从Pt/hNCNC的0.99大幅提高到PtRu2/hNCNC的2.24, 该趋势与CO-脱除的结果相一致(图 3). 图 4b是PtRu/hNCNC、Pt/hNCNC和商业PtRu/C催化剂在0.6 V恒电位下的I-t曲线.随着时间延长, 催化剂的电化学活性均有不同程度的下降, 这可归因于燃料甲醇的消耗[10].其MOR电流密度的顺序为PtRu/hNCNC>PtRu/C>Pt/hNCNC (图 4b), 与MOR活性一致(图 4a).
利用hNCNC的介观结构特征及掺杂氮原子的锚定作用, 无需任何预处理即可将约3 nm的Pt基纳米粒子均匀地负载在hNCNC表面, 方法简便.通过调变Pt、Ru的物质的量比, 制得了系列Pt-Ru/hNCNC合金催化剂, 展现出优异的MOR活性和稳定性及良好的抗CO中毒能力, 显著优于Pt/hNCNC和商业PtRu/C等对照组催化剂.其中, PtRu/hNCNC的电化学性能最优, 其MOR活性约为商业PtRu/C的1.5倍.优异电化学性能主要源于以下因素的协同作用: (1) Pt-Ru合金催化剂的双功能机制; (2) hNCNC的高比表面积和氮掺杂有利于金属纳米粒子的分散、锚定及粒径的减小; (3) hNCNC的多尺度分级孔结构有利于物质传输.本项研究展示了利用hNCNC独特的介观结构特征开发高性能的负载型Pt基合金DMFC催化剂的前景.
称取50 mg的hNCNC, 加入50 mL乙二醇(EG), 超声20 min, 形成均匀悬浊液; 滴入一定量的氯铂酸和三氯化钌溶液, 磁力搅拌60 min; 加入2 mL的0.2 mol•L-1 NaOH/EG溶液, 搅拌10 min; 放入微波炉中, 在800 W微波功率下辐照100 s, 冷却至室温; 用乙醇和去离子水交替洗涤、过滤3次, 60 ℃真空干燥, 即得hNCNC负载的约30 wt%金属负载量的系列Pt-Ru/ hNCNC催化剂.
采用原位MgO模板法制备hNCNC载体[27, 28].具体来说, 将4 g碱式碳酸镁放入竖式管式炉内, 在100 sccm的氩气保护下, 以10℃•min-1的速率升至900 ℃, 用平流泵以60 μL•min-1的流量通入吡啶0.3 mL, 保温1 h, 自然冷却, 用6 mol•L-1 HCl溶液去除MgO模板, 用去离子水反复洗涤、过滤, 100℃干燥过夜, 即得hNCNC.
采用TEM(JEM-2100)、SEM(Hitachi S4800)、XRD(Panalytical X’Pert, Cu靶, 0.02 mm Ni滤色片)、XPS(PHI 5000 VersaProbe)、ICP-AES(Hitachi 180-80)表征催化剂的形貌、结构和成分.氮气吸附-脱附等温线(Thermo Fisher Scientific Surfer Gas Adsorption Porosimeter)在液氮温度(77 K)测量, 样品在300 ℃脱气6 h. SSA和孔分布分别用Brunauer-Emmett-Teller (BET)方程、Horvath-Kawazoe (HK, <2 nm)和Barrett-Joyner-Halenda (BJH, >2 nm)方法处理吸附支数据得到.
MOR性能测试和CO-脱除实验是在三电极电化学工作站(CHI760)上完成的.参比电极和对电极分别是饱和甘汞电极和Pt丝电极.将玻碳工作电极在抛光布上用50 nm的Al2O3粉抛光, 在无水乙醇中超声5 min, 自然晾干.将2 mg催化剂分散到0.95 mL含30%乙醇(体积分数)的水溶液中, 另外加入50 μL的Nafion溶液(5 wt%), 超声20 min, 配制成2 mg•mL-1悬浊液, 用微量进样器移取20 μL上述液体, 滴涂到直径为3 mm的玻碳工作电极上, 自然晾干.
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图 1 hNCNC载体及Pt-Ru/hNCNC催化剂的结构表征. (a~c) hNCNC、Pt/hNCNC和PtRu/hNCNC的TEM照片.右上角插图为HRTEM, (a, c)的右下角插图为SEM. (d) hNCNC的氮气吸附-脱附等温线和孔分布曲线. (e) Pt-Ru/hNCNC系列样品的XRD衍射谱. 1~5对应于Pt/hNCNC、Pt2Ru/hNCNC、PtRu/hNCNC、PtRu2/hNCNC和Ru/hNCNC(下同)
Figure 1 Structure characterizations of Pt-Ru/hNCNC catalysts and support. (a~c) TEM images of hNCNC, Pt/hNCNC and PtRu/hNCNC. The top-right insets are HRTEM images and the bottom-right ones of (a, c) are SEM images. (d) Plots of N2 adsorption-desorption isotherms and pore size distribution. (e) XRD patterns. 1~5 correspond to Pt/hNCNC, Pt2Ru/hNCNC, PtRu/hNCNC, PtRu2/hNCNC and Ru/hNCNC (the same below)
图 4 MOR性能. (a) CV曲线, 扫速50 mV•s-1. (b)在0.6 V恒电位下的I-t曲线.电解液:氮气饱和的1 mol•L-1 CH3OH+0.5 mol•L-1 H2SO4溶液
Figure 4 MOR performances. (a) CV curves at the scan rate of 50 mV•s-1. (b) Chronoamperometric (I-t) curves at a constant voltage of 0.6 V. Electrolyte: N2-saturated 1.0 mol•L-1 methanol and 0.5 mol•L-1 H2SO4 solution
表 1 系列催化剂的CO-脱除和甲醇氧化的电化学数据
Table 1. Electrochemical data from CO-stripping and methanol oxidation for catalysts
| Sample | CO-stripping | MOR | ||||
|
Eonset/ V |
Epeak/ V |
ECSA/ (m2·g-1) |
If/ (mA·mg-1) |
If/ Ib | ||
| Pt/hNCNC | 0.50 | 0.59 | 28.1 | 127.7 | 0.99 | |
| Pt2Ru/hNCNC | 0.28 | 0.44 | 29.6 | 208.2 | 1.58 | |
| PtRu/hNCNC | 0.25 | 0.41 | 34.4 | 224.7 | 1.64 | |
| PtRu2/hNCNC | 0.25 | 0.42 | 36.6 | 163.7 | 2.24 | |
| Ru/hNCNC | 0.26 | 0.42 | 46.1 | — | — | |
| PtRu/C a | 0.26 | 0.36 | 21.2 | 148.1 | 2.05 | |
| a金属负载量为20%的商用PtRu/C催化剂(E-TEK). | ||||||
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