燃料电池Pt基阴极催化剂研究进展\\
王亚骏，李云华，杨 洋，李巧霞
【摘 要】摘要：对于燃料电池阴极氧还原反应，贵金属Pt被认为是最佳的催化剂活性组分。但是，纯Pt价格昂贵，在反应过程中容易受到小分子中间产物的毒化而失活。为了降低Pt的用量同时提高催化剂的活性，多种新型的Pt基阴极催化剂如合金及其复合材料、金属间化合物、核壳结构、空心结构及其他特殊形貌的催化剂都已经被研究，经测试，这些催化剂都能有效地提高阴极氧还原反应速率。对近些年出现的一些新型的Pt基阴极催化剂的研究进展进行了简要的概述。
【期刊名称】电源技术 【年(卷),期】2018(042)005 【总页数】3
【关键词】燃料电池；Pt基；催化剂；氧还原反应
低温燃料电池是直接将化学能转化为电能的发电装置，是一种绿色的能源技术。它因为具有比能量高、燃料来源丰富、便于携带和储存等优点，成为了当前研究的热点，对解决目前面临的能源危机和环境污染问题具有重要意义[1]。但是，燃料电池要想真正的市场化还面临诸多挑战，例如阴极氧还原反应动力学缓慢、催化剂材料价格昂贵、催化剂利用率低等都是需要解决的问题[2]。特别是阴极氧还原反应总是伴随着较高的过电位，导致金属材料不稳定，在电极表面出现含氧物种的吸附或生成氧化膜，从而使反应过程复杂化，降低了电池的工作性能[3]。因此，研究开发高效廉价的新型阴极催化剂，降低阴极过电位，提高阴极催化剂的催化活性是解决问题的关键。
根据文献报道，无论在酸性还是碱性介质中，对于阴极氧还原反应，金属Pt都是最佳的催化剂活性组分[4]。但是，Pt储量稀少，价格昂贵，在反应过程中容易受到小分子中间产物的毒化而失活。为了降低贵金属的用量同时提高催化剂的活性，研究者们主要做了两个方面的工作：一方面在Pt的基础上制备各种高活性Pt基阴极催化剂，另一方面研究开发新型的高抗毒性的非Pt阴极材料。其中，Pt基阴极催化剂是研究的重点。目前，多种新型的Pt基氧还原催化剂如Pt基合金或复合材料[5]、核壳结构催化剂[6]、Pt基纳米空球催化剂[7]和其他特殊形貌的Pt基催化剂[8]等都已经被报道，经测试，这些催化剂都能有效降低Pt的载量同时提高阴极反应速率。本文对近些年出现的一些新型的Pt基阴极催化剂的研究进展进行了简要的概述。
1 Pt基合金
研究者们通过向Pt中掺入一种或多种其他金属元素形成Pt-M合金(M=Pd,Fe,Ni等)，以此来改变基本元素的晶格常数和电子结构，合金组分间的晶格不匹配和电子作用会影响氧分子在其表面的吸附和解离作用，所以通过调节掺入的金属元素的种类和加入量可以得到高效的氧还原催化剂，同时一定程度的减少贵金属用量。Huang等人[9]采用羰基簇合物的方法制备了Pt-Co催化剂，Pt-Co合金颗粒为单相面心立方结构，粒径较小，Pt-Co合金的形成使得Pt原子之间间距减小、分散性提高。这种催化剂表现出较高的氧还原活性，与商业Pt/C相比，其质量比活性提高了1.3～3.2倍，面积比活性提高了1.2～2.2倍。
2 Pt基金属间化合物
所谓金属间化合物，是指金属与金属之间以共价键形式结合生成的化合物，其
原子的排列遵循某种高度有序化的规律。由于金属间化合物中原子排列有序，晶胞中原子间距和相对位置与其单质金属相比会产生较大变化，从而产生独特的电子和几何结构特征，使得金属间化合物可能具备独特的电催化性能。Zou等人[10]通过对Pt3Cr合金进行特殊的热处理，使其发生晶体结构转变，从而得到高度有序的Pt3Cr金属间化合物，进一步研究发现，这种材料对于阴极氧还原反应具有很好的催化活性，同时改善了传统合金不稳定、易溶解等问题。Jiwhan Kim等人[11]在商业Pt/C表面修饰了一层TiO2，然后在H2气氛下热处理，制备了碳载的Pt-Ti金属间化合物纳米粒子，由于TiO2防止了Pt在热处理过程中的团聚，制备的Pt-Ti金属间化合物的平均粒径只有4.2 nm。电化学测试结果显示，这种催化剂在0.9 V下的质量比活性达到0.45 A/mgPt，此外，催化剂的耐久性也得到了提升，在10 000圈耐久性测试之后，其电化学活性面积几乎没有减少。
3 核壳结构
由于电催化反应为表面过程，只有分布在纳米粒子表面的活性组分才能被利用，而体相中的活性组分无法直接参与反应过程[12]。因此，制备以Pt为壳、其他金属或合金为核的核壳结构催化剂是目前流行的方法。由于Pt主要存在于催化剂的表面，所以可以暴露出更多的活性位点，大大提高了Pt的利用率，降低了Pt的用量。同时，Pt壳的覆盖可减少合金中过渡金属的流失，提高催化剂的耐久性。Luo等人[13]以H2PtCl4和CuSO4为前驱体，利用乙二醇微波辅助法得到碳载的CuxPty合金，然后用酸进行表面去合金化处理，制备了Cu@Pt/C催化剂。物理表征结果显示，催化剂表面的Cu被完全除去，得到以Pt为壳，CuPt合金为核的结构。其氧还原催化活性大大提高，质量比活性和面积比活性
燃料电池Pt基阴极催化剂研究进展
