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针对介孔碳材料目前存在的电导率较低及载Pt性能不够理想的问题,本文尝试通过添加金属盐在较低温度下制备石墨化程度较高的有序介孔碳,大幅度提高介孔碳材料的电导率,同时改善介孔碳的表面润湿性,进一步优化介孔碳载Pt性能。实验过程是以低分子量的酚醛树脂为碳源、F127为模板剂,以含Ni、Co、Fe、W、Mo、Ti等化合物为石墨化催化剂,采用溶胶凝胶共组装法,后经热聚合、高温除模板剂,制备具有一定石墨化、高负载性能的有序介孔碳。通过改变添加金属的种类、含量以及碳化温度,研究介孔碳的催化石墨化过程,分析其催化石墨化机理。
研究表明当Ni含量为5%时,能获得石墨化程度较高的介孔碳,且介孔材料的介观有序结构保持完好。HRTEM测试还能清晰观察到Ni周围的碳石墨化层。以这种碳为载体,采用微波还原法负载Pt纳米粒子后,材料的电化学活性面积可达24.8 m2/g,较之前未添加Ni提高了12.9倍。在磁性金属的对比中,我们发现添加Co的碳材料载Pt后的电化学活性面积达45.2 m2/g,是未添加金属时的25.3倍。但Ni在介孔碳材料中分散性最好,因而其氧化峰电流、抗中毒能力均比含Co和Fe的高。
W、Ti等金属在高温下按照碳化物转化机理进行催化石墨化,而且其本身也具有催化性能。W和Ti盐有改性的介孔碳负载Pt后,电化学活性面积分别达到73.3 m2/g和63.5m2/g,是未添加金属时的41.0倍和35.5倍。但if/ib降低,抗中毒能力下降。而Mo盐的加入也使碳材料的性能有一定的提高,但幅度不大。
鉴于前期实验中发现的W具有良好的催化石墨化性能后,我们进一步研究发现,当W含量为5%时,W以金属态存在,对介孔碳材料的催化石墨化性能最好,且不影响材料的有序度,负载Pt后表现出优异的电催化活性。