Pt-Sn/碳微球催化剂的结构表征及电化学性能的研究

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金属铂是迄今为止发现的最有效的直接甲醇燃料电池(DMFC)电极催化剂。提高催化剂的电化学活性和抗CO中毒的能力是DMFC催化剂性能研究的热点。由于甲醇氧化过程中生成的中间产物CO会使Pt中毒,降低Pt的催化活性,而且铂作为贵金属,成本相对较高,因此研究Pt-M二元催化剂以克服一元催化剂的不足是当前的的研究趋势。Pt-Sn二元催化剂由于金属Sn成本较低,Pt-Sn催化剂的催化活性好而备受关注。但有关Pt-Sn/CMS结构对催化活性的影响机理的报道很少。本研究在CVD法制备得到粒径均匀,分散度好的碳微球的基础上,利用浸渍还原法合成了Pt-Sn/CMS,采用X-射线光电子能谱(XPS)、X-射线衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等手段对其结构、形貌等进行表征,通过电化学工作站对其电化学性能进行了测试,并与Pt/CMS进行比较,以确定Sn元素对Pt/CMS电催化活性的影响,进一步探索担载型Pt-Sn/CMS结构对催化活性的影响机理。实验结果表明:1.采用化学气相沉积法制备出粒径均匀,分散性好,尺寸在300nm左右的碳微球。通过浸渍还原法制备了Pt-Sn/CMS,金属颗粒的平均粒径为4.6nm。2.Pt-Sn/CMS催化剂中的Sn元素,以PtSn合金和SnO2的形式存在。XPS、XRD、TEM均表明,随着Sn元素的加入,出现SnO2,且金属态Pt的含量下降,形成PtSn合金。3.采用循环伏安法和交流阻抗法得到的Pt-Sn/CMS催化剂的电催化活性优于Pt /CMS。从结构上分析可知,Sn进入Pt晶格后,改变了Pt的面心立方晶格中的d电子结构,使CO在合金表面的吸附状态有所改变,降低了吸附能,起到了活化吸附态(CO)ads作用,使CO容易被氧化形成CO2,从而提高Pt的催化活性。同时,生成的SnO2能够在较低电位下提供OHads,OHads与反应中生成的CO进行反应,使Pt活性位得以释放,最终减轻催化剂的中毒。
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