Повышение толерантности к метанолу наночастиц платины для катодной реакции топливных элементов прямого метанола за счет геометрического дизайна

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 16219 (2015) Цитировать эту статью

3185 Доступов

26 цитат

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Знание структуры наночастиц может стать эффективным способом повышения их эффективности для конкретного применения. Здесь мы демонстрируем создание наноструктур типа «клетка-колокол» для повышения толерантности к метанолу наночастиц платины (Pt), сохраняя при этом их каталитическую активность в реакции восстановления кислорода. Эта стратегия начинается с синтеза наночастиц ядро-оболочка-оболочка с Pt и серебром (Ag), расположенными соответственно в областях ядра и внутренней оболочки, которые затем перемешиваются с насыщенным раствором хлорида натрия (NaCl) для удаления компонента Ag из внутренней части. область оболочки, что приводит к образованию биметаллических наночастиц с колоколообразной структурой, определяемых как подвижное Pt-ядро, окруженное металлической оболочкой с наноканалами, которые проявляют превосходную устойчивость к метанолу при катализе реакции восстановления кислорода из-за различной диффузии. поведение метанола и кислорода в пористой металлической оболочке наночастиц клеточно-колокольчатой ​​структуры. В частности, использование чрезвычайно недорогого химического агента (NaCl) для содействия образованию частиц с клеточно-колокольчатой ​​структурой, содержащих широкий спектр металлических оболочек, подчеркивает его технические преимущества в производстве высокоселективных электрокатализаторов в больших масштабах для катодной реакции прямого метанола. топливные элементы.

Среди различных типов топливных элементов наиболее перспективными являются топливные элементы прямого метанола (DMFC) в качестве источников энергии для портативных и мобильных изделий, требующих низкой удельной мощности, но высокой плотности энергии. Их способность работать при относительно низких температурах и быстрые пусковые характеристики (поскольку метанол используется напрямую, без необходимости риформинга топлива) выгодно отличаются от топливных элементов с мембраной из полимерного электролита (ПЭМТЭ), основанных на окислении водорода1,2,3. Подводя краткий итог, одной из основных проблем с DMFC после почти двух десятилетий исследовательских усилий является переход метанола от анода к катоду через мембрану из полимерного электролита (PEM), что может привести к значительному сокращению срока службы топливного элемента. эффективность, поскольку обычно используемый платиновый (Pt) электрокатализатор на катоде не является селективным для реакции восстановления кислорода (ORR), а также каталитически активен для реакции окисления метанола (MOR)4,5,6,7,8. Хотя ряд усилий был направлен на модификацию PEM для преодоления этого ключевого препятствия на пути коммерциализации DMFC, обычно считается, что обычно используемая мембрана Nafion имеет неприемлемо высокую скорость перехода метанола9,10,11,12. 13,14,15. В этом смысле синтез электрокатализаторов с высокой селективностью по ОРР представляет собой альтернативу решения проблемы кроссовера метанола в ДМТЭ. К сожалению, электрокатализаторы с высокой селективностью ORR, такие как макроциклические комплексы переходных металлов16,17,18,19, сульфиды и селениды переходных металлов20,21,22, не являются химически стабильными в кислой среде DFMC и имеют низкую собственную активность ORR в отсутствие метанола. являются известными недостатками. Таким образом, интерес к разработке толерантных к метанолу катодных катализаторов с активностью ORR, сравнимой с активностью Pt, не ослабевает на протяжении многих лет.

Вместо классических стратегий увеличения каталитических характеристик Pt за счет легирования переходными металлами23,24,25,26 в наших ранних исследованиях мы выдвинули концепцию, согласно которой хорошая селективность ORR Pt-катализатора может быть реализована за счет геометрической конструкции, а не за счет создания использование внутренних свойств каталитического металла27,28. В рамках этой стратегии биметаллические наночастицы Pt-Ru с колоколообразной структурой (CBS), которая представляет собой подвижное ядро, заключенное в оболочку с наноканалами, были получены на основе диффузии Ag изнутри наружу в Ag-содержащих материалах. металлические наночастицы ядро-оболочка для достижения селективности ORR. В наночастицах CBS Pt-Ru каталитически активный металл Pt располагался в области ядра, экранированной пористой оболочкой Ru, неактивной в отношении окисления метанола. Метанол и кислород должны диффундировать во внутреннюю часть CBS наночастицы через пористую оболочку Ru, чтобы произошли MOR и ORR. Однако молекула метанола крупнее молекулы кислорода (диаметры молекул метанола и кислорода составляют 0,44 нм и 0,34 нм соответственно). Следовательно, диффузия O2 происходит быстрее, чем диффузия метанола в наночастицах CBS Pt-Ru, что делает окисление метанола на CBS Pt-Ru неконкурентным событием.