摘要
A solvothermal assisted ethylene glycol reduction method is a common technology for Pt/C catalysts preparation. Here, the coordination mechanism of the Pt-containing species is deeply studied by innovatively adopting the ultraviolet-visible spectroscopy technology and H+ concentration detector. Moreover, the amount of Na OH that effectively coordinates Pt4+ has been tentatively qualified and the heating parameters during the preparation process of Pt/C have also been optimized. As investigated, the optimized 20-(1/22)-140-2 Pt/C(20 wt%Pt;m(Pt):m(Na OH)=1/22;heating temperature: 140 °C, heating time: 2 h) exhibits higher electrocatalytic activity towards oxygen reduction reaction(ORR) than the commercial 20 wt% Pt/C(E-TEK) in acidic media. This work provides a theoretical reserve and technical accumulation for industrialized mass production of highly efficient Pt/C catalysts for ORR in proton exchange membrane fuel cells.
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H2Pt Cl6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(Na OH):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 oC,反应时间为2 h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0.95 V(商业化Pt/C为0.90 V),半波电位为0.82 V(商业化Pt/C为0.75 V),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.
基金
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).
