MOF为前驱体的低铂氮化钛纳米管和杂原子催化剂对甲醇电催化性能的研究

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尽管直接甲醇燃料电池(DMFC)正在蓬勃发展,但它们仍然面临着低迷的局面,包括稀有的贵金属资源,由于一氧化碳的存在使Pt容易中毒从而导致催化活性低等。商业Pt/C催化剂在长期的运行过程中,由于Pt与C之间的物理吸附作用较弱导致催化剂容易出现腐蚀现象,且Pt颗粒易于团聚而导致失活。为了加速DMFC的商业化,研究人员致力于合成高效且稳定的催化剂,从而产生了一系列先进的研究成果。本文中,首次制备了源自Ce-有机金属框架(MOF)的新型Pt-Ce O2/Ti N纳米管(Ti N NTs)催化剂和硼氮碳共掺杂的纳米管(BNC NTs)并将其作为负载Pt的载体。对载体及催化剂进行了扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),X射线衍射(XRD),氮吸附/解吸比表面积测试(BET),拉曼测试(Raman)和电化学测试以表征催化剂。与Pt/C催化剂相比,催化剂Pt-Ce O2/Ti N NTs的电化学测试表明其甲醇电催化性能更加优异,具有更高的抗CO中毒能力。XRD表明成功制备了以Ce-MOF为前驱的复合载体Ce O2/Ti N NTs。SEM和TEM可以观察到载体是中空多孔结构,其管壁的表面是由纳米片状结构组合而成,同时可以观察到Ce O2/Ti N NTs的表面是由紧密结合的纳米晶体相嵌组成多孔结构。BET测试结果表明Ce O2/Ti N NTs具有介孔结构和较大的比表面积,电化学的CV测试表明管状结构的Ce O2/Ti N NTs具备优良的电化学稳定性。CA测试表明,催化剂Pt-Ce O2/Ti N NTs具有更好的耐腐蚀能力和稳定性。催化剂的MOR测试表明,Pt-Ce O2/Ti N NTs展现出更好的甲醇电催化活性。XPS进一步表明了以Ce-MOF为前驱体引入的Ce O2可以提供电子给Pt,从而有利于甲醇氧化的Pt(0)含量增多,并且Ce O2有利于降低Pt的d带空位及其费米能级,从而减弱了Pt与中间产物CO之间的相互作用,因此催化剂Pt-Ce O2/Ti N NTs甲醇电催化性能更加优异。催化剂Pt/BNC NTs的电化学测试表明其甲醇电催化性能更加优异,具有更高的抗CO中毒能力和稳定性。元素分布分析及XRD分析表明成功合成了载体BNC NTs,SEM和TEM测试结果证明制备的催化剂载体BNC NTs为管状结构。Raman测试表明BNC NTs的D峰强度ID和G峰强度IG的比值(ID/IG)为1.08,验证了BNC NTs的管状形态。而且ID/IG的结果表明掺杂的B引入了很多缺陷位,这些缺陷位为Pt纳米颗粒(NPs)的负载提供了更多的活性位点。MOR测试表明Pt/BNC NTs对MOR具有最佳的电催化能力。计时电流测试表明,Pt/BNC NTs具备更好的抗中毒能力和稳定性。Pt/BNC NTs催化剂的ADT测试结果进一步证明其稳定性。XPS表明Pt和B之间的电子相互作用可以改善Pt的电催化性能和形貌。而且,由于B的掺杂,Pt的d带中心的下移,Pt与B之间的强电子效应,可以增强对MOR的电催化活性。
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