铂纳米晶的电子结构调控用于高效乙醇电化学氧化

张生 刘海 张娜 夏荣 况思宇 尹鸽平 马新宾

引用本文: 张生,  刘海,  张娜,  夏荣,  况思宇,  尹鸽平,  马新宾. 铂纳米晶的电子结构调控用于高效乙醇电化学氧化[J]. 催化学报, 2019, 40(12): 1904-1911. doi: S1872-2067(19)63442-X shu
Citation:  Sheng Zhang,  Hai Liu,  Na Zhang,  Rong Xia,  Siyu Kuang,  Geping Yin,  Xinbin Ma. Tuning the electronic structure of platinum nanocrystals towards high efficient ethanol oxidation[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(12): 1904-1911. doi: S1872-2067(19)63442-X shu

铂纳米晶的电子结构调控用于高效乙醇电化学氧化

  • 基金项目:

    天津市重点研发项目(18ZXJMTG00180);国家自然科学基金(21433003).

摘要: 直接乙醇燃料电池是一种高效、绿色的低温燃料电池,但其发展受到阳极电催化氧化乙醇缓慢动力学的限制.目前,Pt基材料是最适合用于乙醇氧化反应(EOR)的电催化剂.然而其活性中心容易被反应过程中生成的中间体CO吸附而中毒,在很大程度上降低了催化剂的活性和稳定性.减轻Pt中毒的一种有效方法是引入第二种金属(如Sn,Ru,Rh等)以形成双金属催化剂.其中,Pt-Sn双金属催化剂由于其优异的乙醇氧化性能而得到了广泛研究.根据相关报道,与Pt相邻的Sn原子有利于H2O在其表面吸附解离并形成OHads活性物种,从而促进Pt表面反应中间体CO的氧化并重新释放出活性位.在金属氧化物中,氧化锡(SnOx)由于其在酸性电解质中较高的稳定性而被广泛用作DAFC中的助催化剂.目前,大多数研究认为,引入第二金属后催化活性的增强源于几何效应,而其中电子效应的影响却不明确.因此,深入了解Pt和SnOx之间的电子效应对于提高乙醇的电催化性能具有重要意义.
本文首先通过乙二醇法合成了Pt/SnOx/石墨烯纳米复合材料,通过X-射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对催化剂的结构和形貌进行了表征.结果表明,Pt/SnOx异质结构均匀分散在石墨烯载体上.XPS表明,催化剂中的Pt主要以Pt0形式存在,其被认为是乙醇氧化的主要活性位点.同时,Pt/SnOx/石墨烯中Pt 4f的结合能相对于Pt/C催化剂负向移动了0.37eV,这主要是由于存在从石墨烯和SnOx到Pt的电子转移,证明了载体和金属氧化物对Pt活性中心的电子改性.
电化学循环伏安(CV)曲线中,正扫的氧化峰反映了电催化剂对乙醇的氧化能力.Pt/SnOx/石墨烯和Pt/石墨烯的峰电流密度分别是商业Pt/XC-72催化剂的2.82和1.82倍,表明Pt/SnOx/石墨烯具有更加优异的乙醇电催化氧化活性.此外,Pt/SnOx/石墨烯的正向氧化峰电位比Pt/石墨烯和Pt/XC-72低约30至40mV,表明SnOx和石墨烯的引入降低了乙醇氧化的起始电位.
CO氧化实验中,Pt/SnOx/石墨烯对应乙醇氧化的起始电位和峰电位都有所下降,表明CO在Pt/SnOx/石墨烯上更容易被氧化.Pt/SnOx/石墨烯催化剂的CO氧化增强效应可以解释为SnOx和石墨烯的供电子效应降低了Pt对CO中π反键轨道的电子给予能力,从而削弱了CO在Pt上的吸附.此外,在Pt/SnOx异质结构中,SnOx的电子给予效应可促进H2O的解离,在Pt上产生更多的OHads并加速相邻Pt活性位点上COads的氧化.Pt/SnOx/石墨烯也显示出良好的稳定性,这主要是由于石墨烯和SnOx的电子给予效应使得Pt表面的电子亲和力减弱,从而产生更多的氧化物质(如水分解中的OHads),加速了中毒中间体的氧化和去除效率.
与常规的铂纳米催化剂相比,该催化剂表现出较高的活性和稳定性,是非常有潜力的乙醇电氧化催化剂.

English

    1. [1] A. Kowal, M. Li, M. Shao, K. Sasaki, M. B. Vukmirovic, J. Zhang, N. S. Marinkovic, P. Liu, A. I. Frenkel, R. R. Adzic, Nat. Mater., 2009, 8, 325-330.

    2. [2] L. F. Bo Fang, Acta Phys.-Chim. Sin. 2019, 35, 1-7.

    3. [3] M. T. Anwar, X. Yan, M. R. Asghar, N. Husnain, S. Shen, L. Luo, X. Cheng, G. Wei, J. Zhang. Chin. J. Catal., 2019, 40, 1160-1167.

    4. [4] G. Song, H. Yang, Y. Sun, J. Wang, W. Qu, Q. Zhang, L. Ma, Y. Feng, Chin. J. Catal., 2017, 38, 554-562.

    5. [5] L. An, T. S. Zhao, Y. S. Li, Renew. Sust. Energy Rev., 2015, 50, 1462-1468.

    6. [6] S. Song, Y. Wang, P. Shen, Chin. J. Catal., 2007, 28, 752-754.

    7. [7] Y. Wang, S. Zou, W.-B. Cai, Catalysts, 2015, 5, 1507-1534.

    8. [8] L. T. Tran, Q. M. Nguyen, M. D. Nguyen, H. N. Thi Le, T. T. Nguyen, T. H. Thi Vu, Int. J. Hydrogen Energy, 2018, 43, 20563-20572.

    9. [9] S. Zhang, G. Yin, Y. Lin, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 4631-4641.

    10. [10] Y. Liu, M. Wei, D. Raciti, Y. Wang, P. Hu, J. H. Park, M. Barclay, C. Wang, ACS Catal., 2018, 8, 10931-10937.

    11. [11] Q. Wang, X. Lu, Q. Xin, G. Sun, Chin. J. Catal., 2014, 35, 1394-1401.

    12. [12] L.-X. Dai, X.-Y. Wang, S.-S. Yang, T. Zhang, P.-J. Ren, J.-Y. Ye, B. Nan, X.-D. Wen, Z.-Y. Zhou, R. Si, C.-H. Yan, Y.-W. Zhang, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 11270-11280.

    13. [13] J. Maya-Cornejo, R. Carrera-Cerritos, D. Sebastián, J. Ledesma-García, L. G. Arriaga, A. S. Aricò, V. Baglio, Int. J. Hydrogen Energy, 2017, 42, 27919-27928.

    14. [14] Z. Xu, L. Rao, H. Song, Z. Yan, L. Zhang, S. Yang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 305-312.

    15. [15] M. Roca-Ayats, O. Guillén-Villafuerte, G. García, M. Soler-Vicedo, E. Pastor, M. V. Martínez-Huerta, Appl. Catal. B, 2018, 237, 382-391.

    16. [16] L. Jiang, H. Zang, G. Sun, Q. Xin, Chin. J. Catal., 2006, 27, 15-19.

    17. [17] X. Tang, B. Zhang, Y. Li, Y. Xu, Q. Xin, W. Shen, J. Mol. Catal. A, 2005, 235, 122-129.

    18. [18] P. Song, X. Cui, Q. Shao, Y. Feng, X. Zhu, X. Huang, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 24626-24630.

    19. [19] M. Zhu, G. Sun, Q. Xin, Electrochim. Acta, 2009, 54, 1511-1518.

    20. [20] Y. Qu, Y. Gao, F. Kong, S. Zhang, L. Du, G. Yin, Int. J. Hydrogen Energy, 2013, 38, 12310-12317.

    21. [21] B. Ruiz Camacho, C. Morais, M.A. Valenzuela, N. Alonso-Vante, Catal. Today, 2013, 202, 36-43.

    22. [22] B. Ruiz-Camacho, H. H. R. Santoyo, J. M. Medina-Flores, O. Álvarez-Martínez, Electrochim. Acta, 2014, 120, 344-349.

    23. [23] Y. Qu, C. Li, L. Wang, Y. Gao, J. Rao, G. Yin, Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41, 14036-14046.

    24. [24] J. C. M. Silva, R. F. B. De Souza, L. S. Parreira, E. T. Neto, M. L. Calegaro, M. C. Santos, Appl. Catal. B, 2010, 99, 265-271.

    25. [25] W. Du, G. Yang, E. Wong, N. A. Deskins, A. I. Frenkel, D. Su, X. Teng, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 10862-10865.

    26. [26] M. Huang, W. Wu, C. Wu, L. Guan, J. Mater. Chem. A, 2015, 3f, 4777-4781.

    27. [27] S. Zhang, Y. Shao, H.-G. Liao, J. Liu, I. A. Aksay, G. Yin, Y. Lin, Chem. Mater., 2011, 23, 1079-1081.

    28. [28] N. Zhang, S. Zhang, C. Du, Z. Wang, Y. Shao, F. Kong, Y. Lin, G. Yin, Electrochim. Acta, 2014, 117, 413-419.

    29. [29] S. Zhang, P. Kang, T. J. Meyer, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 1734-1737.

    30. [30] L. Jiang, G. Sun, Z. Zhou, S. Sun, Q. Wang, S. Yan, J. T. H. Li, J. Guo, B. Zhou, Q. Xin, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 8774-8778.

    31. [31] Y. Duan, S. Song, B. Cheng, J. Yu, C. Jiang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 199-206.

    32. [32] G. Li, P.G. Pickup, J. Power Sources, 2007, 173, 121-129.

    33. [33] A. Lewera, L. Timperman, A. Roguska, N. Alonso-Vante, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 20153-20159.

    34. [34] L. Timperman, A. Lewera, W. Vogel, N. Alonso-Vante, Electrochem. Commun., 2010, 12, 1772-1775.

    35. [35] F. G. Will, J. Electrochem. Soc., 1965, 112, 5.

    36. [36] L. Du, S. Zhang, G. Chen, G. Yin, C. Du, Q. Tan, Y. Sun, Y. Qu, Y. Gao, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 14043-14049.

    37. [37] L. Ren, K. S. Hui, K. N. Hui, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 5689-5694.

    38. [38] S. Zhang, G. Yin, Y. Lin, J. Mater. Chem., 2010, 20, 2826-2830.

    39. [39] C. Wei, R.R. Rao, J. Peng, B. Huang, I. E. L. Stephens, M. Risch, Z. J. Xu, Y. Shao-Horn, Adv. Mater., 2019, 1806296.

    40. [40] R. M. Antoniassi, J. C. M. Silva, A. Oliveira Neto, E. V. Spinacé, Appl. Catal. B, 2017, 218, 91-100.

    41. [41] D.-H. Kwak, Y.-W. Lee, S.-B. Han, E.-T. Hwang, H.-C. Park, M.-C. Kim, K.-W. Park, J. Power Sources, 2015, 275, 557-562.

    42. [42] J. H. Kim, S. M. Choi, S. H. Nam, M. H. Seo, S. H. Choi, W. B. Kim, Appl. Catal. B, 2008, 82, 89-102.

    43. [43] E. J. Yoo, T. Okata, T. Akita, M. Kohyama, J. Nakamura, I. Honma, Nano Lett., 2009, 9, 2255-2259.

    44. [44] L. Tao, Y. Shi, Y.-C. Huang, R. Chen, Y. Zhang, J. Huo, Y. Zou, G. Yu, J. Luo, C.-L. Dong, S. Wang, Nano Energy, 2018, 53, 604-612.

    45. [45] Z. Merati, J. Basiri Parsa, Appl. Surf. Sci., 2018, 435, 535-542.

    46. [46] Z. Song, M. N. Banis, L. Zhang, B. Wang, L. Yang, D. Banham, Y. Zhao, J. Liang, M. Zheng, R. Li, S. Ye, X. Sun, Nano Energy, 2018, 53, 716-725.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  6
  • 文章访问数:  1847
  • HTML全文浏览量:  91
文章相关
  • 收稿日期:  2019-04-29
  • 修回日期:  2019-06-28
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章