超細碳纖維-鉑基合金電解水催化材料的制備及其應(yīng)用.pdf

1、能源需求的增長和環(huán)境污染的加劇使人類不斷尋求新型清潔能源和開發(fā)高效儲能裝置。氫能源是理想的清潔能源，電解水制氫是最有發(fā)展前景的制氫方法之一。迄今，Pt等貴金屬是最高效的電解水催化材料。然而，貴金屬高昂的價格和稀有性直接限制了其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。因此如何盡可能的降低貴金屬用量和提高電催化活性已成為電解水工程領(lǐng)域的研究焦點。由于納米界面間特殊的電子相互作用，兩相或多相催化體系往往表現(xiàn)出更優(yōu)異的催化活性，因此兩相或多相催化體系近來受到了廣泛的

2、關(guān)注和研究。靜電紡絲是制備一維納米材料最高效的方法，而采用靜電紡絲制備的超細碳纖維具有高比表面積、高孔隙率、優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性和高電子傳輸?shù)奶匦??；谝陨?，本研究將靜電紡絲制備的超細纖維石墨化得到超細碳纖維(CNFs)，并將其作為載體制備CNFs/鉑基合金電解水催化材料，以提高貴金屬納米顆粒的利用率、穩(wěn)定性及催化活性，系統(tǒng)研究了其電催化析氫或析氧活性。主要內(nèi)容如下：
　　(1)利用靜電紡絲技術(shù)制備聚丙烯腈(PAN)/Pt超細纖維，然后

3、利用高溫石墨化處理得到了CNFs負載Pt納米顆粒雜化材料(Pt/CNFs，Pt負載量約為7 wt％)，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射式電子顯微鏡(TEM)和電化學(xué)等方法對其進行了研究。雜化材料的形貌研究表明，所制備的CNFs的平均纖維直徑約為440 nm，原位還原得到的Pt納米顆粒成功負載到CNFs上，且具有較好的分散性。在酸性溶液中電催化析氫測試結(jié)果表明，Pt/CNFs具有較好的電催化析氫活性和穩(wěn)定性，起始過電位和塔佛爾(Taf

4、el)斜率分別為-55 mV和50 mV decade-1。研究認為Pt/CNFs的高電催化活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性主要是源于CNFs的高電子傳輸特性、高比表面積和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，以及Pt納米顆粒被石墨層包覆和在CNFs上的良好分散。
　　(2)為進一步降低載Pt量，把Co加入到Pt中制備PtCo合金納米顆粒。同樣采用上述方法制備CNFs負載PtCo合金納米顆粒雜化材料(PtCo/CNFs)，對其結(jié)構(gòu)和微觀形貌進行了研究，并將其作為電

5、解水催化材料研究了其在酸性介質(zhì)中的電催化析氫性能。結(jié)果表明，合成的PtCo合金納米顆粒均勻地分布在CNFs上。載Pt量僅約為5 wt%的PtCo/CNFs表現(xiàn)出非常優(yōu)異的電催化析氫活性和穩(wěn)定性，電流密度達到10 mA cm-2時所需的過電位為-63 mV，Tafel斜率為28 mV decade-1，與商業(yè)Pt/C(載Pt量為20 wt%)催化劑的析氫活性接近。根據(jù)雙金屬機理，PtCo合金的納米界面間存在的強電子耦合作用將為其在電催化反

6、應(yīng)中提供更多的Pt活性位點，從而賦予其顯著提高的電催化活性。
　　(3)此外，本研究還探索了氮摻雜對PtCo/CNFs雜化材料電催化性能的影響。將PtCo/CNFs雜化材料前驅(qū)體在NH3/Ar混合氛圍下進行中溫石墨化，后經(jīng)Ar氛圍下高溫石墨化制備了氮摻雜超細碳纖維負載PtCo合金納米顆粒雜化材料(PtCo/N-CNFs)。結(jié)果表明，PtCo/N-CNFs展示了較高的電催化析氧活性和穩(wěn)定性能，這是由于PtCo合金的結(jié)構(gòu)特性以及氮摻雜