有序介孔碳载钯的制备_表征及对甲酸的电催化氧化性能

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1、Vol．33高等学校化学学报No．22012年2月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES331～335有序介孔碳载钯的制备、表征及对甲酸的电催化氧化性能陈明晖，贺春兰，张斌伟，姜艳霞，陈声培，孙世刚(固体表面物理化学国家重点实验室，厦门大学化学化工学院化学系，厦门361005)摘要通过浸渍法和硫引入贵金属法分别制备了主要负载在介孔碳主孔道(MPC/Pd-1)和负载在介孔碳孔壁上小介孔中［MPC/(S)Pd-2］的两类负载型钯电催化剂，用XRD，SEM，TEM和电化学等方法表征了其结构和电催化性能．循环伏安结果表明，有序介

2、孔碳载钯催化剂MPC/Pd-1和MPC/(S)Pd-2对甲酸氧化的催化活性分别是商用钯黑催化剂的4.0和2.4倍．MPC/Pd-1中的钯位于介孔碳的主孔道上，增加了催化剂/电解质/反应物三相界面的面积，使得其比MPC/(S)Pd-2的催化活性更高．关键词介孔碳;钯;甲酸;电催化氧化中图分类号O646文献标识码ADOI:10．3969/j．issn．0251-0790．2012．02．021甲醇燃料电池(DMFC)通常用铂基催化剂作阳极催化剂，但其对甲醇氧化的电催化活性较低，而且易被甲醇氧化的中间物种所毒化;特别是甲醇很易透过Nafion膜，在阴极产生混合

3、电位，既浪费了燃料，又降低了燃料的利用效率、阴极催化剂效率和电池的工作电压．研究发现，用甲酸作燃料得到［1～4］的直接甲酸燃料电池(DFAFC)具有很多优点．如甲酸无毒，不易燃，储存和运输安全;甲酸阴离子与Nafion膜中的磺酸基团间有排斥作用，因此甲酸对Nafion膜的渗透率远小于甲醇;甲酸作燃料时浓度可以高达20mol/L，而甲醇的浓度只有2mol/L．虽然甲酸的能量密度仅是甲醇的1/3，但DFAFC的功率密度仍高于DMFC．由于甲酸氧化的活化能小于甲醇氧化的活化能，因此DFAFC的性能要好于DMFC．在DFAFC中，Pd是一种对甲酸电氧化有较好催化

4、性能的阳极催化剂．由于钯黑易聚结，利用率较低，因此人们更关注其负载型催化剂．有序介孔碳不仅具有较高的比表面积和较大的孔体积、较少［5］的或者没有微孔，而且有序介孔碳具有规则的孔道结构及可控的孔径，如果将贵金属纳米粒子负载到孔道内，不仅可以控制金属纳米粒子的尺寸，而且可以得到高分散的介孔碳负载贵金属催化剂．由于介孔碳的限域作用，在合成介孔碳负载贵金属催化剂时，不需要加入表面活性剂，因此具有很高的催化活性和稳定性．［6，7］三维有序结构的介孔碳已经被证明在燃料电池中有利于反应物和产物的质子传输．因此介孔碳材料应用在催化剂载体以及燃料电池方面具有理论和实际研究

5、价值．［8］［9］Nazar等利用硫引入贵金属法制备了一系列介孔碳负载贵金属催化剂;陈书如等通过控制碳/硫比例，将熔融单质硫扩散负载到碳骨架小介孔中，保留有序介孔，形成多孔有序介孔碳/硫纳米复合材料．本文分别通过浸渍法和硫引入贵金属法制备了以有序介孔载钯MPC/Pd-1和小介孔载钯MPC/(S)Pd-2为主的2种负载型钯纳米粒子，并用SEM和TEM观察了其形貌和尺寸，通过电化学方法考察了其电催化性能，分析了催化剂位于同一载体不同尺度的介孔内对其催化活性的影响，其结果对催化剂载体的设计和选择具有指导意义．收稿日期:2011-06-10．基金项目:国家自然科

6、学基金(批准号:20833005，20873116，60936003)资助．联系人简介:孙世刚，男，博士，教授，博士生导师，主要从事表面电化学研究．E-mail:sgsun@xmu．edu．cn姜艳霞，女，博士，教授，主要从事电催化研究．E-mail:yxjiang@xmu．edu．cn332高等学校化学学报Vol．331实验部分1．1试剂与仪器氯化钯(PdCl2，A．R．级)、硫酸(G．R．级)和无水乙醇(A．R．级)均购于国药集团试剂有限公司;硝酸钯［Pd(NO3)2，A．R．级］和商业Pd黑催化剂(美国JohnsonMatthey公司，纯度99%)

7、．所有溶液均用Mili-Q超纯水(18.2MΩ·cm)配制．PAR263A恒电位仪电化学工作站．S-4800冷场发射电子显微镜(S-4800SEM，日本日立公司)，TECNAIF-30高分辨透射电子显微镜(HRTEM，荷兰Philips-FEI公司)，X-pertPRO型多功能X射线衍射仪(荷兰帕纳科公司)．1．2双孔有序介孔碳的制备双孔有序介孔碳(MPC)参照文献［10，11］方法合成，并在文献的反应投料比基础上将反应放大5～15倍，同时将正硅酸乙酯(TEOS)水解老化时间由2h延长到5h，制得的MPC比表面积和孔体积3分别为2100和～2cm/g，比

8、传统的介孔材料大很多，同时在介孔(5.6nm)的孔壁上分布着大量的小介孔(2.3