金属前驱体对质子交换膜燃料电池用PtCu/C催化剂性能的影响
发布时间：2021-08-16 17:23
采用乙二醇还原法,利用不同金属前驱体（CuSO4/CuCl2、K2PtCl4/H2PtCl6）制备了铂铜总质量分数为20%的四种PtCu/C催化剂,并通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）对催化剂进行物相结构表征及电化学性能测试。结果表明,以CuSO4和K2PtCl4为前驱体组合制备出的PtCu/C催化剂性能最优。所制备的PtCu/C催化剂金属颗粒平均粒径为2.3nm,粒径范围窄,在碳载体上负载均匀;电化学活性面积（ECSA）达到73.0m2/gPt,质量比活性（MA）为126.65mA/mgPt,均优于商业Pt/C催化剂。
【文章来源】：燃料化学学报. 2016,44(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同前驱体制备的PtCu/C催化剂的XＲD谱图
仍?5°附近的峰为载体XC-72碳C(002)的衍射峰。在XＲD谱图汇总没有观测到明显的Cu的衍射峰，说明催化剂中的Cu以合金的形式存在，没有以单质的形式存在的Cu或Cu颗粒的粒径太小［34］。根据XＲD谱图中(111)晶面的半峰宽，由Scherrer公式计算出四种催化剂的晶粒粒径，见表1，与通过TEM照片计算出的金属颗粒粒径基本对应。图2不同前驱体制备的PtCu/C催化剂的XＲD谱图Figure2XＲDpatternsofthePtCu/Ccatalystspreparedwithdifferentmetalprecursorsa:PtCu/C(a);b:PtCu/C(b);c:PtCu/C(c);d:PtCu/C(d)2．3CV测试图3为不同前驱体制备的PtCu/C催化剂和Pt/C-JM催化剂的CV曲线。由图3可知，PtCu/C催化剂的氢、氧吸脱附峰的出现位置相近，氢的吸脱附峰位于0．05－0．25V(相对于ＲHE)，氧的吸脱附峰位于0．70－0．90V。通过氢吸脱附峰的面积及催化剂中的Pt含量计算得到不同前驱体制得的PtCu/C催化剂(a)、(b)、(c)、(d)的ECSA分别为73．0、19．6、39．1、26．4m2/gPt，为Pt/C-JM催化剂(53．8m2/gPt)的1．36、0．36、0．73、0．49倍。CV结果表明，制备的四种PtCu/C催化剂中，采用CuSO4和K2PtCl4作为金属前驱体制备的催化剂(a)ECSA最大，是商业催化剂的1．36倍，这意味着这种催化剂能够为催化反应提供更多的活性位点。结合TEM结果分析，催化剂(a)的活性组分金属颗粒粒径最小，且在载体上分散最为均匀，活性组分暴露的几何面积最大，因此，具有最大的ECSA，其余三种催化剂金属颗粒较大，出现轻微团聚，所以对应的ECSA略校表1通过TEM计算的平均颗粒粒径与通过XＲD计算的平均晶粒粒径Table1MeanparticlesizescalculatedfromTEMandXＲDresultsSampleMetalprecursorMeanparticlesized/nmTEMXＲD(a)C
7和0．89V;以Pt/C-JM为阴极催化剂的单电池在800mA/cm2电流密度下达到最大功率密度312mW/cm2，以PtCu/C为阴极催化剂的单电池在600mA/cm2电流密度下达到最大功率密度174mW/cm2。两种单电池的开路电压差别不大，但以PtCu/C为阴极催化剂的单电池性能明显低于Pt/C-JM催化剂。为了进一步探究两种单电池的差别，对催化剂进行了EIS测试和等效电路拟合。图5单电池极化曲线和功率密度曲线Figure5I-VcurvesandpowerdensitycurvesofthesinglecellswithPtCu/CandPt/C-JMcatalysts2．5．2电化学交流阻抗谱(EIS)图6为分别以PtCu/C和Pt/C-JM为阴极催化剂的单电池EIS谱图和拟合后的EIS谱图，所采用的等效电路见图7。图6单电池EIS的Nyquist图和拟合后的Nyquist图Figure6NyquistplotsofEISforthesinglecellswithPtCu/CandPt/C-JMcatalysts理论上，EIS谱图(Nyquist曲线)中应包含高频区曲线形成的半圆、低频区曲线形成的半圆和低频区的特征曲线三部分。而图6中曲线仅有一个半圆，这说明高频区半圆对应的阳极活化损耗较小，EIS谱图中主要反映了电池欧姆阻抗(即Nafion膜、催化层、各部件间接触电阻等)和阴极电化学阻抗。所以，EIS谱图拟合采用如图7所示的等效电路图。拟合结果表明，以PtCu/C为阴极催化剂的单电池电化学阻抗(即Ｒ1)为189．0mΩ，大于Pt/C-JM催化剂(141．2mΩ);以PtCu/C为阴极催化剂的单电池欧姆阻抗(即Ｒ2)为26．8mΩ，大于Pt/C-JM催化剂(19．2mΩ)。单电池的电化学阻抗均比欧姆618燃料化学学报第44卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温燃料电池非铂催化剂研究进展[J]. 张洁,唐水花,廖龙渝,郁卫飞. 催化学报. 2013(06)
[2]用于燃料电池Co@Pt/C核壳结构催化剂的制备及表征[J]. 曹春晖,林瑞,赵天天,黄真,马建新. 物理化学学报. 2013(01)
[3]Cu@Pt/MWCNTs-MnO2电催化剂的制备及电催化性能研究[J]. 于书平,娄群,刘润婷,韩克飞,汪中明,朱红. 化学学报. 2012(22)
[4]燃料电池Pt基核壳结构电催化剂的最新研究进展[J]. 张海艳,曹春晖,赵健,林瑞,马建新. 催化学报. 2012(02)
[5]稀土Eu掺杂PtRu/C催化剂及其对甲醇电氧化的性能[J]. 安筱莎,陈德俊,周志有,汪强,樊友军,孙世刚. 物理化学学报. 2010(05)
[6]Pt纳米催化剂在质子交换膜燃料电池催化层中的尺寸效应研究[J]. 王爱丽,孙瑜,梁志修,陈胜利. 化学学报. 2009(22)
[7]前驱体对碳载铂纳米催化剂的影响[J]. 杜春雨,程新群,史鹏飞,尹鸽平. 电池. 2006(03)
[8]三组Pt-Ru/C催化剂前驱体对其性能的影响[J]. 王振波,尹鸽平,史鹏飞. 物理化学学报. 2005(10)
[9]燃料电池阴极催化剂的研究进展[J]. 刘卫锋,唐倩,衣宝廉,张华民. 电源技术. 2002(06)
[10]氯离子含量对Au/ZnO催化剂常温CO氧化性能的影响[J]. 王桂英,廉红蕾,周文辉,张文祥,蒋大振,吴通好. 燃料化学学报. 2001(S1)
本文编号：3346089
【文章来源】：燃料化学学报. 2016,44(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同前驱体制备的PtCu/C催化剂的XＲD谱图
仍?5°附近的峰为载体XC-72碳C(002)的衍射峰。在XＲD谱图汇总没有观测到明显的Cu的衍射峰，说明催化剂中的Cu以合金的形式存在，没有以单质的形式存在的Cu或Cu颗粒的粒径太小［34］。根据XＲD谱图中(111)晶面的半峰宽，由Scherrer公式计算出四种催化剂的晶粒粒径，见表1，与通过TEM照片计算出的金属颗粒粒径基本对应。图2不同前驱体制备的PtCu/C催化剂的XＲD谱图Figure2XＲDpatternsofthePtCu/Ccatalystspreparedwithdifferentmetalprecursorsa:PtCu/C(a);b:PtCu/C(b);c:PtCu/C(c);d:PtCu/C(d)2．3CV测试图3为不同前驱体制备的PtCu/C催化剂和Pt/C-JM催化剂的CV曲线。由图3可知，PtCu/C催化剂的氢、氧吸脱附峰的出现位置相近，氢的吸脱附峰位于0．05－0．25V(相对于ＲHE)，氧的吸脱附峰位于0．70－0．90V。通过氢吸脱附峰的面积及催化剂中的Pt含量计算得到不同前驱体制得的PtCu/C催化剂(a)、(b)、(c)、(d)的ECSA分别为73．0、19．6、39．1、26．4m2/gPt，为Pt/C-JM催化剂(53．8m2/gPt)的1．36、0．36、0．73、0．49倍。CV结果表明，制备的四种PtCu/C催化剂中，采用CuSO4和K2PtCl4作为金属前驱体制备的催化剂(a)ECSA最大，是商业催化剂的1．36倍，这意味着这种催化剂能够为催化反应提供更多的活性位点。结合TEM结果分析，催化剂(a)的活性组分金属颗粒粒径最小，且在载体上分散最为均匀，活性组分暴露的几何面积最大，因此，具有最大的ECSA，其余三种催化剂金属颗粒较大，出现轻微团聚，所以对应的ECSA略校表1通过TEM计算的平均颗粒粒径与通过XＲD计算的平均晶粒粒径Table1MeanparticlesizescalculatedfromTEMandXＲDresultsSampleMetalprecursorMeanparticlesized/nmTEMXＲD(a)C
7和0．89V;以Pt/C-JM为阴极催化剂的单电池在800mA/cm2电流密度下达到最大功率密度312mW/cm2，以PtCu/C为阴极催化剂的单电池在600mA/cm2电流密度下达到最大功率密度174mW/cm2。两种单电池的开路电压差别不大，但以PtCu/C为阴极催化剂的单电池性能明显低于Pt/C-JM催化剂。为了进一步探究两种单电池的差别，对催化剂进行了EIS测试和等效电路拟合。图5单电池极化曲线和功率密度曲线Figure5I-VcurvesandpowerdensitycurvesofthesinglecellswithPtCu/CandPt/C-JMcatalysts2．5．2电化学交流阻抗谱(EIS)图6为分别以PtCu/C和Pt/C-JM为阴极催化剂的单电池EIS谱图和拟合后的EIS谱图，所采用的等效电路见图7。图6单电池EIS的Nyquist图和拟合后的Nyquist图Figure6NyquistplotsofEISforthesinglecellswithPtCu/CandPt/C-JMcatalysts理论上，EIS谱图(Nyquist曲线)中应包含高频区曲线形成的半圆、低频区曲线形成的半圆和低频区的特征曲线三部分。而图6中曲线仅有一个半圆，这说明高频区半圆对应的阳极活化损耗较小，EIS谱图中主要反映了电池欧姆阻抗(即Nafion膜、催化层、各部件间接触电阻等)和阴极电化学阻抗。所以，EIS谱图拟合采用如图7所示的等效电路图。拟合结果表明，以PtCu/C为阴极催化剂的单电池电化学阻抗(即Ｒ1)为189．0mΩ，大于Pt/C-JM催化剂(141．2mΩ);以PtCu/C为阴极催化剂的单电池欧姆阻抗(即Ｒ2)为26．8mΩ，大于Pt/C-JM催化剂(19．2mΩ)。单电池的电化学阻抗均比欧姆618燃料化学学报第44卷
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温燃料电池非铂催化剂研究进展[J]. 张洁,唐水花,廖龙渝,郁卫飞. 催化学报. 2013(06)
[2]用于燃料电池Co@Pt/C核壳结构催化剂的制备及表征[J]. 曹春晖,林瑞,赵天天,黄真,马建新. 物理化学学报. 2013(01)
[3]Cu@Pt/MWCNTs-MnO2电催化剂的制备及电催化性能研究[J]. 于书平,娄群,刘润婷,韩克飞,汪中明,朱红. 化学学报. 2012(22)
[4]燃料电池Pt基核壳结构电催化剂的最新研究进展[J]. 张海艳,曹春晖,赵健,林瑞,马建新. 催化学报. 2012(02)
[5]稀土Eu掺杂PtRu/C催化剂及其对甲醇电氧化的性能[J]. 安筱莎,陈德俊,周志有,汪强,樊友军,孙世刚. 物理化学学报. 2010(05)
[6]Pt纳米催化剂在质子交换膜燃料电池催化层中的尺寸效应研究[J]. 王爱丽,孙瑜,梁志修,陈胜利. 化学学报. 2009(22)
[7]前驱体对碳载铂纳米催化剂的影响[J]. 杜春雨,程新群,史鹏飞,尹鸽平. 电池. 2006(03)
[8]三组Pt-Ru/C催化剂前驱体对其性能的影响[J]. 王振波,尹鸽平,史鹏飞. 物理化学学报. 2005(10)
[9]燃料电池阴极催化剂的研究进展[J]. 刘卫锋,唐倩,衣宝廉,张华民. 电源技术. 2002(06)
[10]氯离子含量对Au/ZnO催化剂常温CO氧化性能的影响[J]. 王桂英,廉红蕾,周文辉,张文祥,蒋大振,吴通好. 燃料化学学报. 2001(S1)
本文编号：3346089
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