聚三嗪酰亚胺对Pt-Sn/碳纳米材料催化剂性能的影响

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随着世界对能源需求的增长,化石燃料的日益快速缩减以及环保力度的加大,人们不得不探索可替代的“绿色”能源。燃料电池是清洁能源转换中最可行的技术之一,其能量转化效率高,容量高,环境友好,结构简单,操作方便。其中的直接乙醇燃料电池,更是可在室温下运转,使用廉价的乙醇液体作为燃料,氧化效率高。催化剂是燃料电池的心脏,在能量转化中被寄予厚望,因此需要对燃料电池催化剂进行设计研究。Pt催化剂具备相对较高的乙醇氧化活性以及热稳定性,是直接乙醇燃料电池阳极催化剂的首选。Pt-Sn二元金属催化剂具有优异的性能并有效地增强了抗毒性,此外载体为催化剂提供更好的稳定性和更高的活性,将N元素掺杂到载体可进一步促进催化活性。近期,通过离子热缩聚方法合成的新型碳氮网状材料,命名为聚三嗪酰亚胺(Poly(triazine imide),PTI),具有独特的机械性能和化学性能,以用来作为载体。本文以PTI复合不同的碳材料作为催化剂载体,通过乙二醇还原的方法制备了一系列Pt-Sn二元催化剂。利用XRD、BET、SEM、TEM、XPS等表征对催化剂进行分析,探索催化剂活性与载体结构间的内在关联,并对催化剂进行电化学性能测试。具体研究内容如下三部分:(1)探索PTI合成,将原有过滤改为真空抽滤,提高了效率和可溶性杂质去除率,并且在此基础上实现了放大实验。随后对PTI实现了液相剥离,并测得其BET为34.2 m2/g。(2)将PTI与氧化石墨烯(GO)进行复合作为载体,通过乙二醇还原H2PtCl6·6H2O和SnCl2前驱体制备了一系列Pt-Sn/PTI-G催化剂,研究表明Pt-Sn/PTI0.50-G具有最大电化学活性面积(ECSA)为36.86 m2/g,且有最佳的乙醇氧化(EOR)性能,电流密度为418.55 mA/mg,是Pt-Sn/G催化性能的1.39倍。PTI引入到催化剂载体中,改善了催化剂的分散度,并且引入了吡啶N有助于电子转移,增强EOR动力学,促进了催化剂电催化性能。(3)在上述实验基础上,将PTI与CNTs复合,通过乙二醇还原制备了一系列Pt-Sn/PTI-CNTs催化剂,表征结果表明PTI具有引导Pt金属纳米颗粒生长的趋势。Pt-Sn/PTI0.2-CNTs具有最大ECSA为46.20 m2/g,且有最优的EOR性能为471.01 mA/mg,是Pt-Sn/CNTs催化性能的1.35倍,是Pt-Sn/PTI0.50-G催化性能的1.13倍。
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