大尺寸新型石墨烯管的合成以及在燃料电池催化剂中的应用

Untitled质子交换膜燃料电池是一类高效而清洁的电化学能源转化装置,它能将燃料分子(比如氢气,甲醇,乙醇)中的化学能转化为电能。目前燃料电池技术的市场化瓶颈主要在于阴极氧还原反应严重依赖于昂贵并且稀有的铂金属催化剂(~1500美元/盎司)。美国能源部的报告显示铂占将近约40%的燃料电池的成本。因此,为了实现清洁能源的可持续发展,开发高效的基于非贵金属的氧还原催化剂便成为了推进燃料电池技术商业化的当务之急。自从上个世纪60年代,非贵金属催化剂技术经过近几十年的发展,虽然活性和稳定性都有大幅度的提高,但是目前公认活性最高的过渡金属-氮-碳(M-N-C)类催化剂在酸性环境中仍然无法达到铂催化剂的活性和稳定性。最近,李箐博士和武刚教授(美国纽约州立大学布法罗分校)领导的研究团队首次利用金属有机骨架化合物作为模版,高温石墨化法裂解双氰胺和醋酸铁,成功地合成了基于Fe-N-C的氮掺杂石墨烯管(graphene tubes – GT)催化剂。这种具有独特形貌的催化剂并且在酸性介质中呈现出优异的氧还原催化活性, 并且
催化剂中的石墨烯管直径在100-500 nm之间,远远的大于传统的单壁或多壁碳纳米管(< 20 nm)。为了进一步推动非贵金属催化剂的实用性,该研究小组通过将Pt纳米粒子(3-4 nm)均匀的负载在这种大尺寸的石墨烯管表面,创新性的提出一种新型的铂/氮掺杂石墨烯管(Pt/N-GT)混合阴极催化剂。在随后的氧还原反应的旋转圆盘电极和实际的燃料电池测试中,相对于商品化的Pt/C催化剂,Pt/N-GT混合催化剂显著地提高了氧还原催化活性及稳定性。特别是在燃料电池测试中的电化学极化控制区(0.8 V),Pt/N-GT混合催化剂能够产生0.41 A cm-2的电流密度,远高于传统Pt/C所对应的0.28 A cm-2。这催化性能的提高主要得益于氮掺杂石墨烯管相对于普通碳载体具有更加优越的氧还原活性和更稳定的石墨化结构。并且催化剂中N和Pt之间可能存在的协同相互作用也进一步促进了电子的传递。该项研究提出了将贵金属和非贵金属催化剂复合在一起新思路,并且在研究中证实了这是一种有效的方式,能够大幅降低贵金属用量,并且明显地改善了其稳定性。这将为发展实用的燃料电池氧还原催化剂开辟新的方向。同时这新合成的大尺寸石墨烯管将为碳材料在电化学能源应用中提供新的机会。