N‐doped carbon modified Pt/CNTs synthesized by atomic layer deposition with enhanced activity and stability for methanol electrooxidation  

原子层沉积制备掺氮碳膜修饰的Pt/CNTs实现甲醇高效电催化氧化（英文）

作　　者：Huimin Yang Baiyan Zhang Bin Zhang Zhe Gao Yong Qin 杨慧敏;张佰艳;张斌;高哲;覃勇(中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室,山西太原030001;中国科学院大学,北京100049)

机构地区：a State Key Laboratory of Coal Coversion, Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, Shanxi, China b University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2018年第6期1038-1043,共6页催化学报（英文）

基　　金：supported by the National Natural Science Foundation of China (21403272, 21673269);the Natural Science Foundation of Shanxi Province (2015021046)~~

摘　　要：A Pt/CNTs catalyst coated with N‐doped carbon（xNC‐Pt/CNTs） is synthesized by atomic layer dep‐osition（ALD） and applied in methanol electrooxidation reaction. Pt nanoparticles and polyimide（PI） are sequentially deposited on carbon nanotubes（CNTs） by ALD. After annealing at 600 °C in H2 atmosphere, the PI is carbonized to produce porous N‐doped carbon. Upon coating with a moder‐ately thick layer of N‐doped carbon, the optimized 50 NC‐Pt/CNTs show higher activity, better long‐term stability, and improved CO resistance towards methanol electrooxidation compared with Pt/CNTs and commercial Pt/C（20 wt%）. X‐ray photoelectron spectroscopy characterization result indicates that the Pt–CO bond is weakened after N‐doped carbon coating and CO adsorption on the Pt surface is weakened, leading to superior electrocatalytic performance.甲醇燃料电池作为一种清洁、高效的能源转化形式广受关注.贵金属Pt是甲醇燃料电池阳极催化剂不可缺少的活性组分,但Pt价格昂贵,易与CO等中间体强相互作用而中毒失活,从而限制了甲醇燃料电池的广泛应用.因此,如何提高Pt的利用率成为一个关键问题.研究表明,在碳材料载体中掺杂氮元素,改变了载体本身的表面结构和电子性质,有利于Pt颗粒的成核和生长,可获得尺寸小、分布均匀的Pt纳米颗粒,能显著提升催化反应活性和Pt利用率.然而,传统的氮掺杂方法需要在高温、高压及氨气条件下进行,增加了催化剂制备难度和成本.原子层沉积技术是逐层超薄沉积技术,能够在原子级别精确控制膜的厚度,既可制备尺度均一、高度可控的纳米粒子,也能实现材料表面的可控超薄修饰.本课题组利用原子层沉积技术优势,首先在碳纳米管表面沉积了直径2 nm左右的Pt纳米颗粒,然后在Pt纳米颗粒外表面超薄修饰聚酰亚胺膜,通过后处理得到多孔掺氮碳膜修饰的Pt/CNTs催化剂.碳膜的厚度可简单通过调控聚酰亚胺膜的沉积厚度来控制.结果表明,适当厚度的碳膜修饰Pt/CNTs催化剂可显著提升其甲醇电氧化性能,电流密度可达商业20%Pt/C的2.7倍,催化剂稳定性也显著改善.然而碳膜修饰过厚会导致催化剂活性降低.通过计算催化剂电化学活性表面积发现,超薄修饰碳膜后催化剂活性表面积有所降低,这是由于碳膜的覆盖导致表面Pt原子数减少.修饰前后催化剂颗粒尺度变化不大,推测催化剂活性的提高与形成了有利于催化反应的Pt-碳膜界面有关.然而,当碳膜修饰层过厚时,会导致反应物分子难以扩散到Pt颗粒表面,使催化剂活性降低.预吸附单层CO溶出实验结果表明,多孔掺氮碳膜超薄修饰Pt/CNTs催化剂后,CO氧化峰的起始电位和峰值电位都向低电位处偏移,这表明Pt表面吸附的CO在较低电位下即

关 键 词：Atomic layer deposition METHANOL ELECTROOXIDATION PLATINUM Nitrogen‐doped CARBON 

分 类 号：O643.36[理学—物理化学] TM911.4[理学—化学]