本技术属于质子交换膜燃料电池技术领域,特别涉及一种以氧化锡空心纳米纤维为载体的铂基催化剂的制备方法及其应用。该方法通过静电纺丝工艺,预先制备SnCl4溶液,形成SnO2空心纳米纤维,进而负载铂基催化剂。该催化剂具有高催化活性和稳定性,可有效提高燃料电池性能。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是高效可持续的电化学能源转换装置之一,碳负载的铂基催化剂是通用的阳极催化剂,在PEMFC的工作条件下(0.6~0.8V和pH<1),Pt纳米颗粒的碳载体容易受到腐蚀,导致CO的生成和结构破坏。此外,在PEMFC启停运行过程中,由于反向电流的存在,阴极的局部电位将达到1.5V,这大大加剧了碳载体的进一步氧化。先前的研究表明,在1.5V电势下进行4000min的恒电位测试后,由于腐蚀导致的碳重量损失大约为19%。碳腐蚀后,碳载体表面的Pt纳米颗粒倾向于溶解和迁移,导致催化性能下降。同时,Pt与碳载体之间的弱相互作用使Pt颗粒也容易迁移和聚集,考虑到这一点,寻找与Pt纳米颗粒具有更强相互作用的电化学稳定和导电的支撑材料来取代碳是PEMFC技术发展的迫切需要。
金属氧化物,如TiO2
,SnO2
和CeO2
,由于其高电化学稳定性和可调节的金属-载体相互作用,已被研究作为替代电催化剂载体。其中二氧化锡(SnO2
)作为一种储量丰富、环境友好、化学性质稳定的催化剂,同时具有大尺度介孔,有利于更快的电荷传输,被认为是一种很有前途的电催化载体催化剂。SnO2
还是半导体金属氧化物,由于其表面成分具有优异的电子迁移率和稳定性,是一种重要的n型半导体,具有3.6eV的宽带隙,已在锂离子电池、光催化剂氧化等方面得到了广泛的应用。目前研究的SnO2
材料,通常是以低比表面积形式存在,不利于电荷转移,因此开发了如纳米管,纳米结构的纳米棒,壳空心纳米球,纳米片等生成SnO2
纳米结构的方法增加其表面积。本文利用碳纳米纤维作为载体模板将SnO2
稳固定型,再将Pt纳米颗粒嵌入SnO2
空心纳米纤维表面,不仅增加材料比表面积,以暴露更多的活性位点,还构造出有利于电荷转移的空心纳米通道。在SnO2
上负载Pt纳米粒子的情况下,不仅可以促进Pt纳米粒子的分散,还可以在HOR反应过程中合理有效地分配活性位点上的吸附氢。考虑到Pt对CO有很高的化学亲和力,容易被CO毒害,SnO2
作为Pt纳米粒子的载流子,有助于削弱CO在Pt上的结合,建立的Pt-O-Sn界面在电子转移中起关键作用。与此同时,高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)使用液体磷酸作为电解质,Pt基催化剂对磷酸阴离子(H2
PO4
-
)具有强吸附作用,使得催化位点大量被毒化,进而使HOR活性大幅下降。SnO2
载体能降低铂纳米粒子对磷酸的吸附自由能,从而减少磷酸毒化。不仅如此,在高温操作系统中,SnO2
载体的高稳定性能阻止金属纳米颗粒的分离,因此不仅可以避免燃料电池中毒还能维持其稳定性。这方面的深入研究将会对提高HOR催化剂质量活性、循环稳定性等方面具有潜在的巨大突破,进而对高温质子交换膜燃料电池阳极材料的应用中提高其功率密度也是一种值得探索的策略。
实现思路