微量Co修饰的碳载超细Pt纳米粒子的制备及其在燃料电池氧还原催化中的应用

唐雪君 方达晖 瞿丽娟 徐东彦 秦晓平 覃博文 宋微 邵志刚 衣宝廉

引用本文: 唐雪君,  方达晖,  瞿丽娟,  徐东彦,  秦晓平,  覃博文,  宋微,  邵志刚,  衣宝廉. 微量Co修饰的碳载超细Pt纳米粒子的制备及其在燃料电池氧还原催化中的应用[J]. 催化学报, 2019, 40(4): 504-514. doi: S1872-2067(19)63304-8 shu
Citation:  Xuejun Tang,  Dahui Fang,  Lijuan Qu,  Dongyan Xu,  Xiaoping Qin,  Bowen Qin,  Wei Song,  Zhigang Shao,  Baolian Yi. Carbon-supported ultrafine Pt nanoparticles modified with trace amounts of cobalt as enhanced oxygen reduction reaction catalysts for proton exchange membrane fuel cells[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(4): 504-514. doi: S1872-2067(19)63304-8 shu

微量Co修饰的碳载超细Pt纳米粒子的制备及其在燃料电池氧还原催化中的应用

  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2016YFB0101208);国家自然科学基金(21576257);NSFC-辽宁联合基金(U1508202);中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB06050303).

摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有清洁、高效等优点,是一种理想的汽车动力电源.然而,由于其阴极氧还原反应(ORR)速率缓慢,需要使用大量的Pt基催化剂,导致燃料电池成本居高不下,严重制约了PEMFC的商业化发展.将Pt与过渡金属Fe,Co,Ni等形成合金,对表面Pt原子的几何结构和电子结构进行调变,可以有效提高催化剂的活性,实现Pt用量和燃料电池成本的降低.但是目前合金催化剂多采用溶剂热、浸渍-高温退火等制备方法,使用有毒有害试剂和难清洗的表面活性剂,且过程复杂、能耗高,不利于大规模化生产.此外,合金中过渡金属占比高,在燃料电池工况下,大量过渡金属溶解,加速了膜的降解,导致实际PEMFC性能的降低.对此,我们探索了一种简便有效的方法制备高活性、高稳定性的碳载Pt-Co催化剂.在没有添加表面活性剂的情况下,采用硼氢化钠辅助乙二醇还原法合成了具有超小尺寸和均匀分布的Pt-Co纳米颗粒,后续酸刻蚀处理去除不稳定的Co原子,重组双金属纳米颗粒的表面结构形成富Pt壳层,进一步提高了催化剂的活性和稳定性.通过电感耦合等离子体、X射线粉末衍射、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、高角环形暗场-扫描透射-元素分布及光电子能谱等物理表征证实了微量Co改性的碳载超细铂合金纳米颗粒的组成和结构.进一步对催化剂进行旋转圆盘电极和单电池测试,结果表明,Pt36Co/C具有明显高于商业化Pt/C的有效电化学活性面积和电池性能.此外,加速衰减测试和衰减前后的电镜图片表明,Pt36Co/C催化剂的稳定性相较于Pt/C亦有所增强.分析Pt-Co/C催化性能提高的原因,主要归于以下三点:(1)催化剂纳米颗粒在载体上分布均匀,且具有超小的粒径尺寸,提供了大量的三相反应界面位点;(2)双金属配体和电子效应的协同作用,降低了氧化物质在催化表面的吸附能力,加速了ORR的电催化动力学;(3)酸蚀刻导致的不稳定Co的溶解及催化剂表面结构的重排,形成了富Pt壳层结构,有利于提高催化剂的稳定性.这种简单有效的合金制备方法可以在电催化领域推广使用.

English

    1. [1] M. Kiani, J. Zhang, Y. Luo, C. Jiang, J. Fan, G. Wang, J. Chen, R. Wang, J. Energy Chem., 2018, 27, 1124-1139.

    2. [2] A. Ghosh, P. Chandran, S. Ramaprabhu, Appl. Energy, 2017, 208, 37-48.

    3. [3] Y. Deng, H. Huangfu, S. Tang, J. Li, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1668-1679.

    4. [4] X. Tang, Y. Zeng, L. Cao, L. Yang, Z. Wang, D. Fang, Y. Gao, Z. Shao, B. Yi, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 15074-15082.

    5. [5] J. Y. Wang, X. Mu, Y. Li, F. Xu, J. Chen, L. Ouyang, H. Liu, Y. Jing, H. Dai, C. Liu, X. D. Zhang, W. Long, P. Bian, J. Wang, Y. Sun, J. Yang, Small, 2018, 14, e1703736.

    6. [6] G. Zhang, W. Lu, L. Cao, X. Qin, F. Ding, S. Tang, Z. G. Shao, B. Yi, J. Power Sources, 2016, 326, 23-34.

    7. [7] W. Gu, J. Liu, M. Hu, F. Wang, Y. Song, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 26914-26922.

    8. [8] M. Shao, Q. Chang, J. P. Dodelet, R. Chenitz, Chem. Rev., 2016, 116, 3594-3657.

    9. [9] J. Choi, J. H. Jang, C. W. Roh, S. Yang, J. Kim, J. Lim, S.J. Yoo, H. Lee, Appl. Catal. B, 2018, 225, 530-537.

    10. [10] Y. Kim, H. Lee, T. Lim, H. J. Kim, O. J. Kwon, J. Power Sources, 2017, 364, 16-22.

    11. [11] X. Huang, Z. Zhao, L. Cao, Y. Chen, E. Zhu, Z. Lin, M. Li, A. Yan, A. Zettl, Y. M. Wang, X. Duan, T. Mueller, Y. Huang, Science, 2015, 348, 1230-1234.

    12. [12] D. S. Choi, A. W. Robertson, J. H. Warner, S. O. Kim, H. Kim, Adv. Mater., 2016, 28, 7115-7122.

    13. [13] J. H. Dumont, A. M. Baker, S. Maurya, Y. S. Kim, R. Mukundan, D. J. Myers, R. L. Borup, ECS Trnas., 2017, 80, 861-867.

    14. [14] D. Wang, Y. Yu, J. Zhu, S. Liu, D. A. Muller, H. D. Abruna, Nano Lett., 2015, 15, 1343-1348.

    15. [15] H. Kwon, M. K. Kabiraz, J. Park, A. Oh, H. Baik, S. I. Choi, K. Lee, Nano Lett., 2018, 18, 2930-2936.

    16. [16] D. J. You, D. H. Kim, J. R. De Lile, C. Li, S. G. Lee, J. M. Kim, C. Pak, Appl. Catal. A, 2018, 562, 250-257.

    17. [17] L. Lei, Z. Tao, T. Hong, X. Wang, F. Chen, J. Power Sources, 2018, 389, 1-7.

    18. [18] D. Dang, L. Zhang, X. Zeng, X. Tian, C. Qu, H. Nan, T. Shu, S. Hou, L. Yang, J. Zeng, S. Liao, J. Power Sources, 2017, 355, 83-89.

    19. [19] F. Giarratano, G. M. Arzac, V. Godinho, D. Hufschmidt, M. C. Jimenez de Haro, O. Montes, A. Fernandez, Appl. Catal. B, 2018, 235, 168-176.

    20. [20] J. Zhang, L. Ma, M. Gan, S. Fu, Y. Zhao, J. Power Sources, 2016, 324, 199-207.

    21. [21] N. Gavrilov, M. Momcilovic, A. S. Dobrota, D. M. Stankovic, B. Jokic, B. Babic, N. V. Skorodumova, S. V. Mentus, I. A. Pasti, Surf. Coat. Technol., 2018, 349, 511-521.

    22. [22] M. H. Naveen, K. Shim, M. S. A. Hossain, J. H. Kim, Y. B. Shim, Adv. Energy Mater., 2017, 7, 201602002.

    23. [23] I. Spanos, K. Dideriksen, J. J. K. Kirkensgaard, S. Jelavic, M. Arenz, Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 28044-28053.

    24. [24] Y. Wang, H. Luo, G. Li, J. Jiang, Appl. Energy, 2016, 173, 59-66.

    25. [25] B. Li, Z. Yan, Q. Xiao, J. Dai, D. Yang, C. Zhang, M. Cai, J. Ma, J. Power Sources, 2014, 270, 201-207.

    26. [26] B. Y. Xia, H. B. Wu, N. Li, Y. Yan, X. W. Lou, X. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 3797-3801.

    27. [27] E. Pizzutilo, J. Knossalla, S. Geiger, J. P. Grote, G. Polymeros, C. Baldizzone, S. Mezzavilla, M. Ledendecker, A. Mingers, S. Cherevko, F. Schueth, K. J. J. Mayrhofer, Adv. Energy Mater., 2017, 7, 201700835.

    28. [28] X. Zhong, L. Wang, H. Zhou, Y. Qin, W. Xu, Y. Jiang, Y. Sun, Z. Shi, G. Zhuang, X. Li, D. Mei, J. G. Wang, Adv. Mater. Interfaces, 2015, 2, 1500365/1-1500365/7.

    29. [29] Y. Qin, L. Chao, J. Yuan, Y. Liu, F. Chu, Y. Kong, Y. Tao, M. Liu, Chem. Commun., 2016, 52, 382-385.

    30. [30] Y. Qin, L. Chao, J.J. He, Y. Liu, F. Chu, J. Cao, Y. Kong, Y. Tao, J. Power Sources, 2016, 335, 31-37.

    31. [31] D. Wang, H. L. Xin, R. Hovden, H. Wang, Y. Yu, D. A. Muller, F. J. DiSalvo, H. D. Abruna, Nat. Mater., 2013, 12, 81-87.

    32. [32] Y. Cai, P. Gao, F. Wang, H. Zhu, Electrochim. Acta, 2017, 245, 924-933.

    33. [33] R. Ahmadi, M. K. Amini, J. C. Bennett, J. Catal., 2012, 292, 81-89.

    34. [34] G. Zhang, Z. G. Shao, W. Lu, F. Xie, X. Qin, B. Yi, Electrochim. Acta, 2013, 103, 66-76.

    35. [35] W. S. Jung, B. N. Popov, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 23679-23686.

    36. [36] Q. C. Tran, V. D. Dao, H. Y. Kim, K. D. Jung, H. S. Choi, Appl. Catal. B, 2017, 204, 365-373.

    37. [37] B. Lim, M. Jiang, P. H. C. Camargo, E. C. Cho, J. Tao, X. Lu, Y. Zhu, Y. Xia, Science, 2009, 324, 1302-1305.

    38. [38] J. Ying, G. Jiang, Z.P. Cano, Z. Ma, Z. Chen, Appl. Catal. B, 2018, 236, 359-367.

    39. [39] D. He, L. Zhang, D. He, G. Zhou, Y. Lin, Z. Deng, X. Hong, Y. Wu, C. Chen, Y. Li, Nat. Commun., 2016, 7, 12362.

    40. [40] N. Cheng, Y. Shao, J. Liu, X. Sun, Nano Energy, 2016, 29, 220-242.

    41. [41] R. Lin, T. Zhao, M. Shang, J. Wang, W. Tang, V. E. Guterman, J. Ma, J. Power Sources, 2015, 293, 274-282.

    42. [42] Y. Zeng, Z. Shao, H. Zhang, Z. Wang, S. Hong, H. Yu, B. Yi, Nano Energy, 2017, 34, 344-355.

    43. [43] S. Hong, M. Hou, Y. Zeng, Z. Shao, B. Yi, ChemElectroChem, 2017, 4, 1007-1010.

    44. [44] P. Strasser, S. Koh, T. Anniyev, J. Greeley, K. More, C. Yu, Z. Liu, S. Kaya, D. Nordlund, H. Ogasawara, M.F. Toney, A. Nilsson, Nat. Chem., 2010, 2, 454-460.

    45. [45] Y. Zeng, X. Guo, Z. Wang, J. Geng, H. Zhang, W. Song, H. Yu, Z. Shao, B. Yi, Nanoscale, 2017, 9, 6910-6919.

    46. [46] W. S. Jung, B. N. Popov, ACS Sustainable Chem. Eng., 2017, 5, 9809-9817.

    47. [47] H. Lv, J. Wang, Z. Yan, B. Li, D. Yang, C. Zhang, Fuel Cells, 2017, 17, 635-642.

    48. [48] E. Lohrasbi, M. Javanbakht, S. A. Mozaffari, Appl. Surf. Sci., 2017, 407, 236-245.

    49. [49] Y. Lu, S. Du, R. Steinberger-Wilckens, Appl. Catal. B, 2016, 187, 108-114.

    50. [50] Y. Y. Rivera-Lugo, M. I. Salazar-Gastelum, D. M. Lopez-Rosas, E. A. Reynoso-Soto, S. Perez-Sicairos, S. Velraj, J. R. Flores-Hernandez, R. M. Felix-Navarro, Energy, 2018, 148, 561-570.

    51. [51] D. C. Dogan, S. Cho, S. M. Hwang, Y. M. Kim, H. Guim, T. H. Yang, S. H. Park, G. G. Park, S. D. Yim, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 27730-27739.

    52. [52] R. Sun, Z. Xia, L. Shang, X. Fu, H. Li, S. Wang, G. Sun, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 15260-15265.

    53. [53] M. Chen, M. Wang, Z. Yang, X. Wang, Appl. Surf. Sci., 2017, 406, 69-76.

    54. [54] R. Alipour Moghadam Esfahani, I. I. Ebralidze, S. Specchia, E. B. Easton, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 14805-14815.

    55. [55] A. Bharti, G. Cheruvally, J. Power Sources, 2017, 360, 196-205.

    56. [56] H. Liu, C. Li, D. Chen, P. Cui, F. Ye, J. Yang, Sci. Rep., 2017, 7, 11421.

    57. [57] Y. Ma, L. Yin, T. Yang, Q. Huang, M. He, H. Zhao, D. Zhang, M. Wang, Z. Tong, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 36164-36172.

    58. [58] S. Chen, Z. Wei, X. Q. Qi, L. Dong, Y. G. Guo, L. Wan, Z. Shao, L. Li, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 13252-13255.

    59. [59] J. H. Zeng, J. Y. Lee, J. Power Sources, 2005, 140, 268-273.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  5
  • 文章访问数:  1616
  • HTML全文浏览量:  129
文章相关
  • 收稿日期:  2018-12-01
  • 修回日期:  2019-01-11
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章