近期, 中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所微納技術與器件研究室研究員李越課題組在可控製備多孔金-銀-鉑 (AuAgPt) 合金納米材料及其甲醇催化研究方面取得新進展, 相關研究結果發表在Journal of Materials Chemistry A ( J. Mater. Chem. A, DOI: 10.1039/c8ta04087g )上.
近年來, 隨著經濟的迅猛發展, 我國對能源的需求日益增加. 化石能源作為目前全球消耗的最主要能源, 在給我們帶來方便的同時, 也對地球環境造成了嚴重汙染. 因此, 開發可代替化石能源的清潔能源變得越來越重要. 燃料電池是一種能把燃料和氧化劑中的化學能直接轉化成電能的裝置, 它是繼水力, 火力, 原子能發電方式之後的 '第四種發電方式' ; 因具有節能, 轉換效率高, 接近零排放的優點; 已成為解決能源和環境問題的重要途徑. 其中, 甲醇燃料電池因具有工作效率高, 環境友好等特點, 被廣泛應用於攜帶型設備. 相比於氫能源, 甲醇是一種更加便宜的液態燃料, 便於存儲, 易運輸, 且具有更高的理論能量密度, 因此甲醇燃料電池在新能源領域具有非常好的應用潛力.
目前, 甲醇燃料電池的催化劑主要採用鉑納米材料製成, 但是傳統鉑納米材料在製備過程中, 會產生毒化, 析出等副作用, 使得鉑納米催化劑的有效面積活性和質量活性逐漸降低, 嚴重影響了甲醇燃料電池的使用壽命. 此外, 製備鉑納米材料所需的金屬鉑儲存量低, 價格昂貴, 成本高, 十分不利於電池的大規模商業化應用. 為了提高甲醇燃料電池催化劑的催化活性和穩定性, 人們已通過多方法製備出了具有不同結構的鉑及鉑基納米催化劑, 例如: 具有高指數晶面的鉑納米粒子, 空心鉑鈀合金, 鉑鎳合金, 銀鉑合金等, 但這些材料的製備方法大多工序複雜, 反應周期長, 而且並不能很好地解決上述催化活性和穩定性問題.
李越課題組採用雷射誘導法成功製備出三維多孔AuAgPt三元合金納米材料催化劑. 他們首先將Au@Ag納米立方塊與氯鉑酸鉀反應獲得Au@AgPt納米立方塊(Au@AgPt NCs), 再採用670~ 700伏的雷射對Au@AgPt納米立方塊進行雷射輻照, 使Au@AgPt納米立方塊快速熔融成實心AuAgPt合金納米球 (solid AuAgPt NSs) , 然後通過化學刻蝕去除實心AuAgPt合金納米球中的部分銀, 製得具有單分散的三維多孔AuAgPt三元合金納米球 (spongy AuAgPt NSs) (圖1, 圖2). 這種AuAgPt三元合金納米球不僅穩定性遠高於傳統鉑納米材料, 而且具有大的比表面積和高密度活性位點, 易吸附反應物, 能夠有效地提高催化活性, 其對甲醇催化的質量活性 (1.62 A mgPt-1) 分別是實心AuAgPt合金納米球 (0.35 A mgPt-1) 和商業化鉑黑 (Pt black) (0.32 A mgPt-1) 的 4.6 和 5.1 倍. 這些優異的性能得益於材料本身的多孔結構以及材料表面的高指數晶面, 晶格扭曲和孿晶界的存在. 該項研究結果從一定程度上解決了燃料電池使用時催化劑催化活性不高, 穩定性差和電池使用壽命短等問題.
以上研究得到了中科院交叉團隊項目和國家自然科學基金項目的資助.
圖1. (a)-(b) 分別為AuAgPt三元合金納米球的場發射掃描電子顯微鏡和透射電鏡圖; (c) AuAgPt三元合金納米球的高角環形暗場-掃描投射圖片和元素分布圖; (d) 線掃元素分布圖; (e) AuAgPt三元合金納米球的X射線衍射圖譜.
圖2. AuAgPt三元合金納米球的HRTEM圖. (a) 顆粒中存在的孿晶界和高指數晶面; (b) 晶格畸變的局部放大圖.
圖3. AuAgPt三元合金納米球, 實心AuAgPt合金納米球和鉑黑甲醇電催化性能測試. (a) 在氮氣飽和的0.1 M HClO4 溶液中測試得到的迴圈伏安圖; (b) 在0.1 M HClO4 + 0.2 M甲醇溶液中測試得到的甲醇氧化曲線; (c) 不同催化劑的甲醇氧化活性對比柱狀圖; (d) 穩定性測試對比圖.
