【前沿部分】
目前,甲醇燃料电池中最常用的催化剂是商业PtRu/C(阳极)和Pt/C(阴极)催化剂。然而,Pt作为一种贵金属,存量较少,价格高昂,实际使用中稳定性较差。因此,开发低成、高活性和高稳定性的甲醇燃料电池催化剂成为研究重点。其中,Pt和其它金属 (如Fe, Co, Ni)形成三元合金可以显著降低催化剂的成本并提高催化剂的活性。然而,三元铂基合金材料仍然需要深入研究。最近,武汉理工大学的木士春教授等课题组通过油胺、一氧化碳和葡萄糖共还原,CTAB作为表面活性剂,成功合成了一种具有六足状形貌的PtRuCu合金催化剂。测试发现,该种合金催化剂具有优异的甲醇氧化性能。进一步通过机理分析发现,Cu可以改变Pt的电子结构,而Ru可减弱CO在Pt表面的附着力,从而提高了PtRuCu合金催化剂的甲醇氧化活性和稳定性。该研究成果已发表在国际催化顶级期刊ACSCatalysis(影响因子:11.384)上。其中,研究生薜盛峰、杨芳和英国巴斯大学邓文韬博士为本文共同一作,木士春教授、何大平教授和唐浩林教授为共同通讯作者。
【核心内容】
基于Stranski Krastanov生长和电偶置换的晶体生长原理,利用有机溶剂还原法合成了平均直径为28nm且具有六足状形貌的PtRuCu纳米合金,并作为高效的直接甲醇燃料电池(DFMCs)催化剂。
PtRuCu/C 催化剂的甲醇氧化反应质量活性和比活性高达1.35A/mgPt和为3.92mA/cm2,分别为商业Pt/C催化剂(0.36A/mgPt和0.48mA/cm2)的3.8倍和8.2倍。在800圈CV循环后,甲醇氧化反应活性仅降低27%(商业Pt/C为60%),表明PtRuCu催化剂具有优异的稳定性。
PtRuCu六足体的优异MOR活性和稳定性可以通过合金中三种金属元素的协同效应来解释,其中的Ru促进了CO的氧化,Cu可以通过配位效应降低Pt的d带中心,优化了Pt表面的电子结构。