徜徉在氮掺低缺陷石墨烯“草坪”上的铂“纳米蠕虫”:高效甲醇氧化电催化剂

作为燃料电池家族的重要成员,直接甲醇燃料电池因其能量转换效率高、污染排放少等优点吸引了人们的广泛关注,在未来的便携式电子设备等领域展现出了十分诱人的应用前景。金属铂是当前公认的最为理想的电极催化剂材料,然而其高昂的价格以及易吸附有毒物种的特性在很大程度上制约着电池的大规模商业化应用。应对这些问题的有效途径是将铂纳米晶与碳基载体相结合并进行结构和形貌调控,这不仅能有效提高金属铂的利用效率,还可以明显改善其抗中毒能力,从而提升电池的各项性能。然而,传统的碳基载体往往含有大量的结构缺陷,这些缺陷在高电位下容易被氧化和腐蚀,继而严重影响材料的结构稳定性。此外,常见的铂/碳复合催化剂中铂组分大多表现为纳米颗粒的形貌,在电催化环境下,铂颗粒相互之间会产生粘连作用并逐渐合并到一起,最终导致大规模的团聚现象,使得催化剂的活性及使用寿命大打折扣。

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近期,河海大学黄华杰课题组与东南大学尹奎波博士以及美国莱斯大学、美国橡树岭国家实验室的合作者一起开发出了一种新型的氮掺杂低缺陷石墨烯负载铂催化剂。有趣的是,该杂化催化剂中的铂组分具有类似于纳米线的准一维结构,宛如一条条徜徉在氮掺杂低缺陷石墨烯“草坪”上的铂“纳米蠕虫”。实验及理论计算结果均显示这种独特的铂纳米构造与低缺陷石墨烯骨架中的氮原子分布密切相关,表明该合成路线可通过改变载体的缺陷密度及电子结构来实现对贵金属形貌及结构的有效控制。在催化反应过程中,蠕虫状铂纳米晶较大的长径比及较少的晶粒边界一方面可以大幅提高活性位点的数量,另一方面也能显著抑制金属纳米晶之间的团聚。与此同时,低缺陷石墨烯的存在为铂“纳米蠕虫”提供了稳固的导电网络支撑,并且其骨架中的掺杂氮原子能够产生大量的羟基物种从而帮助消除反应中间产物。在各组分的协同作用下,该催化剂对甲醇氧化反应表现出了优异的电催化活性、良好的抗中毒能力以及可信赖的长程稳定性,相比于负载在传统碳材料(炭黑、化学还原石墨烯等)表面的铂纳米颗粒催化剂具有显著的竞争优势。

相关工作在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201603013)上。