溶剂热助乙二醇还原法制备Pt/C催化剂过程中酸碱配位机制及工艺参数优化

曾融蓉 王昆 邵伟 赖俊杭 宋树芹 王毅

引用本文: 曾融蓉,  王昆,  邵伟,  赖俊杭,  宋树芹,  王毅. 溶剂热助乙二醇还原法制备Pt/C催化剂过程中酸碱配位机制及工艺参数优化[J]. 催化学报, 2020, 41(5): 820-829. doi: S1872-2067(19)63456-X shu
Citation:  Rongrong Zeng,  Kun Wang,  Wei Shao,  Junhang Lai,  Shuqin Song,  Yi Wang. Investigation on the coordination mechanism of Pt-containing species and qualification of the alkaline content during Pt/C preparation via a solvothermal polyol method[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(5): 820-829. doi: S1872-2067(19)63456-X shu

溶剂热助乙二醇还原法制备Pt/C催化剂过程中酸碱配位机制及工艺参数优化

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21576300,21576299,21978331,21975292,21905311);国家重点研发计划(2016YFB0101204);广东省高层次人才特殊支持计划项目(2016TQ03N322);高校基本科研业务费青年教师重点培育项目(17lgzd14,19lgpy136,19lgpy116);中国博士后科学基金(2019M653142).

摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFCs)能量转换率高,反应产物仅为H2O、不造成污染,是一种极具发展前景的能源转换装置.然而,PEMFCs的阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢、过电位高.由于Pt对ORR中间产物脱吸附能适中,因此,Pt/C成为电催化ORR的商业化催化剂,对其制备技术的研究成为该领域的研究热点.乙二醇(EG)还原法制备碳载Pt基催化剂是一种常见方法,EG作为还原剂的同时,还起到保护剂和分散剂的作用,使制备的催化剂具有均一性.
EG在外界能量的活化下,分解生成H2O和CH3CHO,CH3CHO作为还原剂将H2PtCl6还原生成Pt单质颗粒,同时生成的CH3COO-由于静电排斥可以防止Pt粒子团聚.常见的外界能量的活化方法有脉冲微波法、回流法、溶剂热法等,其中溶剂热法采用高压釜作为反应容器,抗干扰能力强,工艺操作简单、反应快速、耗能较少、成本低廉,极易于实现工业化生产;值得注意的是,无论使用何种方法对Pt前驱体混合液给予活化能使其发生还原,其碱的含量都会对最终所得催化剂的电催化ORR活性有着显著的影响,因此,通过跟踪前驱体混合液中含Pt物种的变化路径,揭示催化剂制备过程中的碱调控机理,实现加入碱的定量化,对于大规模制备高效Pt/C催化剂具有重要的意义.
因此,本文采用溶剂热助EG还原法合成Pt/C催化剂的技术,创新联用UV-vis和H+浓度探针技术,揭示了前驱体混合液中含Pt物种的配位过程,实现了加入碱的定量化.发现当m(NaOH):m(Pt)达到2:1时,Pt配位完成;进而通过优化反应温度、反应时间等参数,成功制备了高效Pt/C催化剂:当反应温度为140℃,反应时间为2h时,所得催化剂在酸性条件下,相对于商业化Pt/C具有更高的电催化ORR活性,其起始ORR还原电位达到0.95V(商业化Pt/C为0.90V),半波电位为0.82V(商业化Pt/C为0.75V),该工作对于工业化大批量生产高效Pt/C催化剂具有重要的意义.

English

    1. [1] J. Fang, L. T. Hu, M. R. Wang, L. Gan, C. Chen, Y. J. Jiang, B. H. Xiao, Y. Q. Lai, J. Li, Mater. Lett., 2018, 218, 36-39.

    2. [2] J. F. Kong, W. L. Cheng, Chin. J. Catal. 2017, 38, 951-969.

    3. [3] S. Sui, X. Y. Wang, X. T. Zhou, Y. H. Su, S. Riffatc, C. J. Liu, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 1808-1825.

    4. [4] Y. Wang, M. Yi, K. Wang, S. Q. Song, Chin. J. Catal. 2019, 40, 523-533.

    5. [5] N. F. Rosli, C. C. Mayorga-Martinez, N. M. Latiff, N. Rohaizad, Z. Sofer, A. C. Fisher, M. Pumera, ACS Sustain. Chem. Eng., 2018, 6, 7432-7441.

    6. [6] Y. Wang, H. Y. Liu, K. Wang, S. Q. Song, P. Tsiakaras, Appl. Catal. B, 2017, 210, 57-66.

    7. [7] I. Leea, J. B. Joob, M. Shokouhimehrc, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1799-1810.

    8. [8] S. Q. Song, Y. Wang, P. K. Shen, J. Power Sources, 2007, 170, 46-49.

    9. [9] P. Webera, M. Werheida, M. Janssena, M. Oezaslana, ECS Trans., 2018, 86, 433-445.

    10. [10] N. E. Sahin, T. W. Napporn, L. Dubau, F. Kadirgan, J. M. Léger, K. B. Kokoh, Appl. Catal. B, 2017, 203, 72-84.

    11. [11] F. Wu, Y. H. Liu, C. Wu, Chin. J. Process Eng., 2009, 9, 1198-1203.

    12. [12] W. Z. Li, Z. H. Zhou, W. J. Zhou, H. Q. Li, X. S. Zhao, G. X. Wang, G. Q. Sun, Q. Xin, Chin. J. Catal., 2003, 24, 465-470.

    13. [13] L.C. Han,[MS Dissertation], Qingdao University of Science and Technology, 2014, 15-17.

    14. [14] K. Wang, Z. Pan, F. Tzorbatzoglou, Y.L Zhang, Y. Wang, P. Tsiakaras, S.Q. Song, Appl. Catal. B, 2015, 166, 224-230.

    15. [15] A. B. A. A. Nassr, I. Sinev, MM. Pohl, W. Grünert, M. Bron, ACS Catal., 2014, 4, 2449-2462.

    16. [16] Y. N. Wu, Z. S. Chen, Z. Y. Mo, P Yan, Z. Z. Wang, Rare Metal Mater. Eng., 2017, 46, 841-846.

    17. [17] Y. N. Wu, S. H. Li, X. P. Xiao, M. Q. Zheng, S. Z. Chen, P. Yan, Z. Z. Wang, Chem. Res. Appl., 2015, 27, 684-688.

    18. [18] Y. Tan, Shandong Chem. Ind., 2017, 46, 45-47.

    19. [19] L. M. Zhang, Z. B. Wang, J. J. Zhang, X. L. Sui, L. Zhao, J. C. Han, Fuel Cells, 2015, 15, 619-627.

    20. [20] H. Wen, Y. H. Qin, W. L. Li, Chin. J. Power Sources, 2010, 34, 157-159.

    21. [21] C. Gumeci, A. Marathe, R. L. Behrens, J. Chaudhuri, C. Korzeniewski, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 14433-14440.

    22. [22] M. Wang, Z. W. Wang, L. Wei, J. W. Li, X. S. Zhao, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1680-1687.

    23. [23] S. Ghannoum, Y. Xin, J. Jaber, L.I. Halaoui, Langmuir, 2003, 19, 4804-4811.

    24. [24] L. I. Şanlı, V. Bayram, B. Yarar, S. Ghobadi, S. A. Gürsela, Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41, 3414-3427.

    25. [25] B. Jang, E. Choi, Y. Piaoa, Mater. Res. Bull., 2013, 48, 834-839.

    26. [26] Y. Kim, Y. Kwon, J. W. Hong, BS. Choi, Y. Park, M. Kim, S. W. Han, Cryst. Eng. Comm., 2016, 18, 2356-2362.

    27. [27] P. Song, L. Liu, A.J. Wang, X. Zhang, S. Y. Zhou, J. J. Feng, Electrochim. Acta, 2015, 164, 323-329.

    28. [28] W. A. Spieker, J. Liu, J. T. Miller, A. J. Kropf, J. R. Regalbuto, Appl. Catal. A, 2002, 232, 219-235.

    29. [29] W. A. Spieker, J. Liu, X. Hao, J. T. Miller, A. J. Kropf, J. R. Regalbuto, Appl. Catal. A, 2003, 243, 53-66.

    30. [30] A. Siani, K. R. Wigal, O. S. Alexeev, M. D. Amiridis, J. Catal., 2008, 257, 5-15.

    31. [31] Y. Wang, X. Zeng, H. Liu, S. Q. Song, Chin. J. Catal., 2011, 32, 184-188.

    32. [32] W. L. Zhang,[MS Dissertation]. Jilin University, 2012, 31-35.

    33. [33] M.C. Román-Martínez, D. Cazorla-Amorós, A. Linares-Solano, C.S. Mn De Lecea, H. Yamashita, M. Anpo, Carbon, 1995, 33, 3-13.

    34. [34] Y.Y. Shao, G. P. Yin, J. Zhang, Y. Z. Gao, P. F. Shi, Chin. J. Catal., 2006, 27, 606-610.

    35. [35] L. Sementa, O. Andreussi, W. A. Goddard, A. Fortunelli, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 6901-6909.

    36. [36] S. Hussain, H. Erikson, N. Kongi, M. Merisalu, P. Ritslaid, V. Sammelselg, K. Tammeveski, Int. J. Hydrogen Energy, 2017, 42, 5958-5970.

    37. [37] Y. J. Wang, N. Zhao, B. Z. Fang, H. Li, X. T. Bi, H. J. Wang, Chem. Rev., 2015, 115, 3433-3467.

    38. [38] Y. X. Tuo, L. J. Shi, H. Y. Cheng, Y. A. Zhu, M. L. Yang, J. Xu, Y. F. Han, P. Li, W. K. Yuan, J. Catal., 2018, 360, 175-186.

    39. [39] K. Shinozaki, Y. Morimoto, B. S. Pivovar, S. S. Kocha, Electrochim. Acta, 2016, 213, 783-790.

    40. [40] C. He, S. Song, J. Liu, V. Maragou, P. Tsiakaras, J. Power Sources, 2010, 195, 7409-7414.

    41. [41] C. He, Y. Liang, R. Fu, D. Wu, S. Song, R. Cai, J. Mater. Chem., 2011, 21, 16357-16364.

    42. [42] L. Sementa, O. Andreussi, W. A. Goddard III, A. Fortunelli, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 6901-6909.

    43. [43] M. Peuckert, T. Yoneda, R. A. Dalla Betta, M. Boudart, J. Electrochem. Soc., 1986, 133, 944-947.

    44. [44] G. Zhang, Y. Jia, C. Zhang, X. Xiong, K. Sun, R. Chen, W. Chen, Y. Kuang, L. Zheng, H. Tang, W. Liu, J. Liu, X. Sun, W. Lin, H. Dai, Energy Environ. Sci., 2019, 12, 1317-1325.

    45. [45] D. Sun, S. Wageh, A. A. Al-Ghamdi, Y. Le, J. Yu, C. Jiang, Appl. Surf. Sci., 2019, 466, 301-308.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  1048
  • HTML全文浏览量:  172
文章相关
  • 收稿日期:  2019-11-20
  • 修回日期:  2019-12-18
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