等离子体技术制备石墨烯铂纳米复合物及其在直接甲醇燃料电池中的应用

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直接甲醇燃料电池由于其工作温度低、燃料来源广泛、低污染、高能量密度、成本低廉等特点,成为人类解决能源危机的有效途径之一,近年来越来越受到人们的关注。作为燃料电池阳极的催化剂,要求贵金属铂以良好的形貌和大小分布于载体上并与载体结合牢固。为达到以上效果,需从两方面着手:一方面要有良好的Pt的负载均匀程度和合适的金属粒径大小;另一方面,载体需有大的比表面积,以提高贵金属的负载率,并且要有良好的导电性,以提供电子传输的通道,还要有稳定的特性,以防止在酸性环境中被腐蚀。  自从石墨烯的研究获得2010年诺贝尔物理学奖以来,石墨烯因为其优越的各方面性能引起了人们的高度关注。研究表明,石墨烯具有良好的物理、电学性能,是负载铂催化剂的理想载体。纯石墨烯由于表面呈惰性,无法很好的锚定金属前驱物粒子,因而需要对其表面进行改性,引入官能团以提高其负载金属的能力;并且高质量的石墨烯价格昂贵,虽然目前已有各种制备方法问世,然而石墨烯的价格要降低到能够大量的工业应用尚需时日,氧化石墨烯的价格却相对廉价许多,并且制备简单,其表面含有的官能团能够对铂的沉积起到促进作用,因此可以用作负载铂的载体原料。然而,氧化石墨烯表面虽然富含官能团,但是其导电性差,需要对其进行还原以提高电子输运的效率。通常,浸渍法制备贵金属催化剂需使用大量的化学试剂,并且容易造成贵金属的流失,导致其利用率降低,电池成本提高。  利用低温等离子体技术在石墨烯载体上沉积铂,结果发现,低温等离子体能够有效的去除氧化石墨烯上的含氧官能团,从而提高石墨烯载体的导电性;还原性等离子体氨气对载体的掺杂效果更好,不但提高载体的导电性,还能增强载体吸附铂离子的能力。此外,还原性氢气等离子体能有效的还原金属离子,从而增强了金属在载体上的沉积。电化学测试表明,这些等离子体技术制备出石墨烯铂复合物应用到直接甲醇燃料电池阳极催化剂中,抗中毒能力和催化甲醇氧化能力均较商用铂催化剂有较为显著的提高。
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