MOFs衍生碳载Pt催化剂的制备及甲醇电催化氧化性能研究

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甲醇电催化氧化反应(MOR)主要应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)或电解甲醇制氢,对实现煤基甲醇高效能量转换极其重要。甲醇电催化氧化当前存在的主要问题是常用的Pt基催化剂成本高、稳定性差并且易遭受类CO中间体毒害,阻碍了其性能提升。提高Pt基催化剂的抗中毒性能是开发高效MOR催化剂的关键问题。本论文在金属有机骨架(MOFs)衍生的碳基材料中引入Fe、N、Sn等元素,调控Pt与载体之间的相互作用,设计具有高MOR电催化活性的铂基电催化剂。首先利用金属有机骨架(MIL-100)为前驱体,成功制备具有高比表面积的碳材料,表征测试证明以此为载体有利于获得高分散的Pt纳米颗粒。同时,载体中的Fe物种与Pt之间的发生强相互作用,Fe物种的电子向Pt迁移,这种电子效应减弱了金属Pt与中间产物CO之间的化学吸附强度,增强催化剂的抗CO中毒能力。Pt/Fe-PC-700催化剂在酸性介质中MOR的质量比活性达到745 m A mgPt-1,是商业Pt/C(246 m A mgPt-1)的3.03倍。为进一步提高催化剂的活性及稳定性,通过一种简单的方法制备了氮掺杂碳复合材料(Fe-N-PC),并将其作为催化剂载体,发现氮掺杂能有效提高碳材料石墨化程度,且能促进Pt的分散和锚定,有利于获得尺寸更小和分布更均匀的Pt纳米颗粒,这提高了甲醇电催化氧化活性、稳定性以及抗CO中毒能力。其中Pt/Fe-N-PC-700在酸性介质中MOR质量比活性为844 m A mgPt-1,是Pt/Fe-PC-700催化剂(745 m A mgPt-1)的1.13倍,并且稳定性(500圈CV测试)提高26.88%。Pt基催化剂不仅可以通过电子效应,改变Pt与CO的吸附强度提高抗中毒能力,还可以通过提供活性含氧物种(OHads)加快CO氧化促进CO从Pt表面脱附。通过添加嗜氧金属Sn对Pt基催化剂进行改性:一种策略是添加Sn O2制备了Pt/Sn O2-PC催化剂,研究了Sn O2与PC质量比对催化剂性能的影响。Sn O2的存在不仅提高催化剂稳定性,而且其提供的OHads物种可以促进相邻Pt表面吸附的类CO中间体的氧化,提高了催化剂抗中毒能力。Sn O2与PC质量比为5/15时催化剂性能最佳,MOR的质量比活性为727 m A mgPt-1,是商业Pt/C催化剂(246 m A mgPt-1)的2.95倍,并且在电化学反应过程中能有效避免活性金属Pt的溶解,从而提高材料的稳定性(500圈CV测试性能下降13.24%)。另一策略是引入金属Sn与Pt形成金属间化合物,制备Pt Sn/PC催化剂。当两者原子比为1/2时催化剂在酸性介质中MOR的质量比活性达到678 m A mgPt-1,500圈CV测试后活性仅降低7.55%。
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