近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所應(yīng)用等離子體研究室王奇課題組在甲醇氧化反應(yīng)方面取得進(jìn)展，相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在《應(yīng)用表面科學(xué)》（Applied Surface Science）上。

 

　　直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)的工作原理是在氧化還原反應(yīng)過(guò)程中，陽(yáng)極的甲醇在催化劑的作用下失去電子，通過(guò)外電路到陰極，同時(shí)氫離子（酸性電解液）通過(guò)電解質(zhì)膜從陽(yáng)極轉(zhuǎn)移到陰極，然后陰極的氧氣被催化還原得到電子從而形成電流回路，提供電能。其中催化劑對(duì)陽(yáng)極的甲醇氧化反應(yīng)至關(guān)重要，近年來(lái)相關(guān)研究越來(lái)越深入，主要從提高貴金屬催化劑的利用率、修飾載體和制備合金催化劑以提高抗中毒能力等方面入手。鉑(Pt)作為性能優(yōu)異的貴金屬催化劑一直受到研究者們的關(guān)注，其中負(fù)載鉑納米顆粒的載體往往對(duì)最終的催化性能有較大的影響。氧化石墨烯常常被用于貴金屬的載體，然而直接用氧化石墨烯做載體，電化學(xué)性能測(cè)試并不能達(dá)到理想效果。

 

　　研究人員將氧化石墨烯(GO)與碳納米管(CNTs)自組裝后形成一種三維結(jié)構(gòu)，然后負(fù)載鉑，并通過(guò)氫等離子放電可以得到具有較大比表面積的鉑基三維石墨烯-碳納米管催化劑(Pt/GNTs)，具有優(yōu)異的甲醇氧化催化性能。該技術(shù)路線綜合GO與CNTs各自的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)自組裝的方式形成三維復(fù)合結(jié)構(gòu)，增大了比表面積，更有利于鉑納米顆粒的分布(圖1)。隨后，科研人員在實(shí)驗(yàn)中制備了一系列不同GO與CNTs質(zhì)量比(GO: CNTs=0:1, 1:6, 1:4, 1:2, 1:1, 2:1, 4:1, 6:1和1:0)的催化劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)GO: CNTs=1:2時(shí)對(duì)甲醇的催化性能最好，電流密度高達(dá)691.1 mA/mg，這個(gè)數(shù)值較商用鉑碳催化劑性能提升了87.7%，并優(yōu)于大部分已報(bào)道的其他催化劑，經(jīng)過(guò)3600s的CA測(cè)試之后仍然保持較高的電流密度(圖2)。該結(jié)果與載體的結(jié)構(gòu)性能有很大關(guān)系，詳細(xì)分析見(jiàn)原文。該研究對(duì)制備高效的甲醇氧化反應(yīng)催化劑有重要意義，對(duì)三維石墨烯載體的制備也提供了一種嶄新的思路。

 

　　該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省杰出青年科學(xué)基金、中科院青促會(huì)人才專項(xiàng)、合肥研究院院長(zhǎng)基金的支持。
 

 

圖1 (a-b) Pt/CNTs的TEM圖; (c-e) Pt/GNTs的TEM圖; (f) Pt/rGO的TEM圖

 

圖2 Pt/GNTs和商用Pt/C的(a)i-t 曲線和(b) CV曲線