掃帚狀氧化鈰制備及其對Pt基陽極催化劑催化性能的影響

莫逸杰 郭瑞華＊，， 安勝利 郭樂樂 張捷宇 周國治

(1內蒙古科技大學材料與冶金學院，包頭 014010)

(2內蒙古自治區(qū)先進陶瓷材料與器件重點實驗室，包頭 014010)

(3上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

燃料電池是一種將燃料及氧化劑的化學能轉變?yōu)殡娔艿男滦桶l(fā)電設備[1]，具有高效、綠色環(huán)保、噪聲低等優(yōu)點[2]。直接乙醇燃料電池(DEFC)是以乙醇作為能量來源，通過化學反應轉變?yōu)殡娔艿脑O備[3]。而乙醇由于其來源廣泛，無毒，滲透率低，能量密度高，可再生等優(yōu)點而備受關注[4-5]。DEFC因其具有環(huán)保、便攜、操作便利等優(yōu)勢，它的開發(fā)研究可作為未來交通運輸和便攜式電子設備的電源[6-7]。目前對DEFC的研究鮮有突破性進展，原因主要是催化劑活性較低而成本較高[8-9]。因此，開發(fā)高效乙醇氧化電催化劑是直接乙醇燃料電池技術進步的關鍵[10-11]。

目前低溫燃料電池常用的陽極催化劑是Pt/C。然而，Pt易被低溫乙醇電氧化過程中產生的類CO中間體毒害[12]。 通過添加 Rh[13]、Sn[14]和 Ni[15]等鉑類助催化劑，可以減輕CO中毒的發(fā)生。二元Pt-Rh合金是DEFC中用于乙醇氧化的最先進的催化劑[16]，但是Rh同樣屬于貴金屬，因此限制了PtRh基催化劑在DEFC中的應用。有報道顯示在Pt/C催化劑中直接添加金屬氧化物(TiO2[17]，ZrO2[18]，MoO2[19]，CeO2[20])能夠有效地提高催化劑的抗CO中毒能力。其中，CeO2因其有2種有效作用機理而備受關注，一種是利用Ce的+3/+4變價，將CeO2看成儲氧放氧的容器，O2濃度較低時放氧，較高時儲氧，從而減弱CO的吸附反應；另一種是“雙功能機理”，通常情況下是利用CeO2表面吸附的含氧活性物質將Pt表面吸附的CO氧化，生成CO2后逸出。具體是在低電位時吸附大量的含氧物種如-OHads。高電位時由CeO2吸附的含氧物種-OHads與Pt表面的CO進行氧化反應生成CO2。根據上述2種原因，稀土氧化物CeO2利于CO的氧化脫除[21-23]。此外，氧化缽的低價格有助于降低DEFC的成本。因此，氧化缽是用于Pt基催化劑的有前景的助劑。近年來，微波輔助乙二醇還原法由于其具有所制備催化劑粒徑小且分散度高，反應速度快，反應溫度控制便利等優(yōu)點，被廣泛應用于碳載金屬催化劑的制備[24-25]。因此，為了解決催化劑易被CO毒化，電催化性能較低等問題，以含有豐富官能團的石墨烯為載體，通過添加掃帚狀CeO2作為輔助催化劑，采用微波輔助乙二醇還原氯鉑酸法制備Pt-CeO2/RGO催化劑(RGO代表還原態(tài)氧化石墨烯)，探究掃帚狀CeO2的添加對Pt基催化劑電催化性能的影響，這對于開發(fā)新型的高效、廉價Pt基催化劑用于燃料電池具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 樣品的制備

1.1.1 CeO2的制備

將5.88 L的檸檬酸鈉溶于80 mL去離子水中，隨后加入2.4 L尿素，在磁力攪拌下形成混合溶液。同時，稱取1.63 L六水硝酸缽溶于20 mL去離子水中攪拌均勻后，將六水硝酸缽溶液緩慢滴入上述混合溶液中，攪拌30 min，直到溶液變?yōu)榈S色。將溶液置入反應釜并放入烘箱中，120℃下加熱39 h，然后降至室溫。抽濾后得到氧化缽前驅體在300℃焙燒4 h，即可獲得CeO2樣品粉末。

1.1.2 催化劑的制備

取50 mL乙二醇及自制的氧化石墨烯加入燒杯中， 向杯內加制備好的 CeO2(mRGO∶mCeO2=1∶0，1∶0.5，1∶1，1∶2，1∶3，RGO 與 CeO2的總質量為 30 mL)，再滴入濃度為0.05 mol·L-1的H2PtCl6溶液。超聲處理30 min。隨后將上述溶液微波加熱70 s，取出冷至不沸騰，此過程循環(huán)3次。然后磁力攪拌12 h，抽濾，干燥20 h，即可得到5組催化劑，如表1所示。其中1#為不加CeO2的空白對照組。

1.1.3 工作電極的制備

將玻碳電極依次用1.0和3.0μm的Al2O3粉在麂皮拋光布上磨至鏡面，拋光后均用水和乙醇在超聲波環(huán)境下清洗。配制含乙醇、水和5%(w/w)Nafion溶液的混合溶液，體積分數分別為20%、73.75%和6.25%。將4 mL催化劑與上述溶液混合，配成漿液，超聲波處理30 min，使其充分分散。用微取樣器移取5μL懸浮液滴涂到電極表面上，40℃干燥3 h，即制得工作電極。

1.2 性能表征

用日本D/max-rB X射線衍射儀對催化劑組成和結晶情況進行了分析，工作電壓為40 kV，工作電流為15 mA，Cu Kα射線源為光源，波長為0.154 06nm，掃描范圍為20°～80°；用中科鑫欣國際貿易有限公司的Apollo 300熱場發(fā)射掃描電鏡對所制備樣品表面狀態(tài)進行分析，加速電壓為20 kV，工作距離為0.5 mm；用金埃譜比表面積及孔徑分析儀測試材料的N2的吸附-脫附，計算BET比表面和孔徑分布；用英國Thermo Scientific生產的ESCALAB 250ⅪX射線光電子能譜儀分析催化劑中各組成元素含量及存在狀態(tài)；用荷蘭生產的IVIUM電化學工作站對所制備催化劑進行電化學測試，測試使用三電極體系，鉑絲對電極，飽和甘汞電極為參比電極，電位均相對于飽和甘汞電極，在測試之前向所用溶液中通入N2，時間約為30 min，以此來去除O2的影響。

表1 五種催化劑的RGO與CeO2質量比Table 1 Mass ratios of RGO to CeO2 for five kinds of catalysts

2 結果與討論

2.1 CeO2性能表征

根據前期預實驗，選擇在水熱溫度為120℃，水熱時間為39 h，焙燒溫度為300℃的條件下制備CeO2。圖1為所制備CeO2的XRD圖，由圖可知，樣品 材 料 的(111)、(200)、(220)和(311)衍 射 峰 與 標 準PDF卡片上CeO2的典型特征峰相對應，為立方螢石結構。樣品材料的尖銳衍射峰表明制備的CeO2納米晶體具有較高的結晶度，并且沒有出現雜質峰。

圖2為不同放大倍數的CeO2SEM圖，由圖可知，CeO2呈現出掃帚狀形態(tài)，納米棒一端連接，另一端發(fā)散，且大小均勻分散性好。形成機理是：首先，反應物溶液于反應釜中結晶，形成了許多CeO2納米晶體，隨著反應過程的進行，這些納米晶體在檸檬酸鈉的協助下自主形成納米棒。隨著奧斯瓦爾德熟化過程的進行，許多納米晶體在納米棒表面形成并自組裝。外部納米粒子變大，內部納米顆粒變小，最終由于納米棒的外部和內部之間的晶體濃度差而消失，得到了具有多孔結構的納米棒。同時，納米棒之間的間隙逐漸收縮，變得彼此靠近，形成了多孔掃帚狀結構[26]。掃帚狀CeO2特殊之處在于三維開放式結構，因此，有利于反應物與產物之間的擴散，且其具有多孔、大比表面積特性，有利于提高催化劑粒子的分散性，適合用作催化劑助劑。

圖2 不同放大倍數的CeO2SEM圖FiL.2 SEM imaLes of CeO2 with different maLnifications

圖3 CeO2的氮氣吸附-脫附曲線(插圖)及BJH孔徑分布FiL.3 NitroLen adsorption-desorption isotherm(inset)and BJH pore size distribution of CeO2

圖3 插圖為CeO2粉體樣品的N2吸附-脫附曲線。由圖3可以看出，此等溫線屬于IUPAC分類中的Ⅳ型，H3滯后環(huán)。當相對壓力p/p0較低時是單分子層吸附，相對壓力不斷升高，毛細管凝聚產生，在吸附脫附曲線上產生一個轉折 (一般情況下p/p0≥0.4)。經BET(Brunauer-Emmett-Teller)模型分析計算得到氧化缽的比表面積為175 m2·L-1。圖3為CeO2粉體樣品的孔徑分布曲線，由BJH(Barrett-Joyner-Halenda)模型得出氧化缽的孔徑均在2～4 nm，處于介孔區(qū)域，因此本文所制備的CeO2具備較好的綜合性能。

圖1 CeO2的XRD圖FiL.1 XRD pattern of CeO2

2.2 催化劑物理表征

2.2.1 催化劑的掃描電鏡(SEM)表征

圖4為4#催化劑的SEM照片及面掃、點掃分析，由圖4(a)可知，CeO2保持原有掃帚狀形貌，對圖4(a)進行了面掃描分析(圖4(b)～(d))，可知催化劑中C、Ce和Pt分布均勻。為了進一步證明Pt的分布，對圖 4(a)中的點(1)、(2)做了點掃分析(圖 4(e)，(f))，從圖中可以看出Pt在CeO2表面分布較少，約占6%，在石墨烯載體表面約占28%，表明Pt納米粒子均勻地分布在石墨烯的表面，CeO2擔載在石墨烯上。

圖4 4#催化劑的SEM圖 (a)、面掃分析結果 (b～d)和圖 (a)中點(1)、(2)的EDS分析結果 (e，f)FiL.4 SEM imaLe(a)，plane scan analysis(b～d)and EDSanalysis of dot(1)，(2)from(a)for 4#catalyst(e，f)

2.2.2 催化劑的X射線衍射(XRD)表征

圖5為5種催化劑的XRD圖，由圖可知，所有催化劑在2θ=26.5°附近有1個(002)的衍射峰，這是石墨結構的有力證明，表明氧化石墨烯已經被還原。 此外， 3#、4#、5# 催化劑在 2θ=33.1°附近出現了CeO2的(200)衍射峰，而2#不明顯，這是因為CeO2的含量較低(mRGO∶mCeO2=1∶0.5)，在 XRD 中不能表現出來，但是 2#、3#、4#、5# 催化劑都在 2θ=28.5°、47.5°和56.3°出現了另外3個特征衍射峰，分別對應面心立方結構 CeO2的(111)、(220)和(311)晶面。各組催化劑在 2θ=39.8°、46.2°和 67.5°都出現了 3 個特征衍射峰，分別對應 Pt的(111)、(200)和(220)晶面。并且由圖可知，與1#相比，2#～5#催化劑中Pt各晶面的衍射峰峰位并未偏移，說明CeO2的加入并未改變Pt的晶格參數。同時，2#～5#催化劑中Pt的衍射峰有明顯寬化，說明加入掃帚狀CeO2能夠減小Pt納米顆粒的晶粒尺寸，也能提高其分散度。

2.2.3 催化劑的X射線光電子能譜(XPS)表征

圖6中是5種催化劑中Ce3d和Pt4f的XPS圖譜。由于 2#～5#催化劑Ce3d XPS圖譜Ce3+與Ce4+的結合能相差不大，因此選4#樣品Ce3d XPS圖譜為例。從圖中可以看出，Ce3d中Ce4+的結合能主要位于 882、885、900、904 和 917eV 附近， 且在 917 eV附近存在Ce4+的指紋峰[27]，說明催化劑中主要以Ce4+存在。Pt4f7/2金屬態(tài)的結合能理論值為71.2 eV[28]，5種催化劑結合能分別是 70.58、70.78、71.33、70.98和70.73 eV，接近理論值。同時由圖可知，加入CeO2的2#～5#催化劑Pt4f7/2峰位較1#催化劑正移，表明Pt和CeO2之間有強的相互作用，使Pt/CeO2間產生雙功能機理，且能使Pt粒子分散得更為均勻，提高催化劑的催化性能[29-31]。圖中Pt金屬態(tài)Pt4f7/2峰和Pt4f5/2峰的結合能為 70.58和 73.72 eV、70.78和74.53 eV、71.33 和 75.09 eV、70.98 和 74.83 eV、70.73和74.04 eV， 而Pt2+的Pt4f7/2峰和Pt4f5/2峰的結合能為 71.32和 74.53 eV、71.52和 75.36 eV、71.92和 74.64 eV、71.46和 74.35 eV、71.35和 74.47 eV，通過積分面積/XPS靈敏度因子計算結果如表2所示，由表可以看出，5種催化劑中Pt主要以金屬態(tài)形式存在， 當 mRGO∶mCeO2=1∶2 時，Pt金屬態(tài)含量最高。

圖5 五種催化劑的XRD衍射圖FiL.5 XRD patterns of five kinds of catalysts

圖6 五種催化劑中Ce3d和Pt4f的XPS圖譜FiL.6 XPSspectra of Ce3d and Pt4f for five catalysts

表2 五種催化劑的XPS圖譜分析數據Table 2 XPSdata and the possible chemical states of five catalysts

2.3 催化性能分析

2.3.1 催化劑的電化學活性表面積

圖7表示的是5種催化劑在飽和N2的0.5 mol·L-1H2SO4溶液中的循環(huán)伏安曲線，掃描速度是50 mV·s-1，電位范圍為-0.3～0.6 V。 由圖可以看出 5種催化劑都在-0.3～-0.2 V附近出現H的脫附峰。催化劑的電化學活性表面積(ESA)根據下式計算[32]：

式中，QH(C)代表H脫附時的電量，mPt(L)代表電極上擔載的Pt的質量，S(mA·V)代表H脫附峰的面積，v(mV·s-1)代表掃描速度，0.21 mC·cm-2是 H 在Pt單位表面積吸附所需的電量。5種催化劑的電化學活性表面積如表3所示。由表可以看出5種電催化劑的電化學活性表面積大小排序為 4#＞3#＞5#＞2#＞1#。由此可知，添加了掃帚狀CeO2的2#～5#催化劑的電化學活性表面積均大于1#催化劑，這是由于掃帚狀CeO2具有多孔、大比表面積特性，可有效提高Pt納米粒子的分散度，減小其粒徑，從而提高催化劑的電化學活性表面積[33]。同時可知，4#催化劑(mRGO∶mCeO2=1∶2)的電化學活性表面積最大，約為 1#催化劑的2倍。在相同的Pt負載量下，催化劑的不同ESA是由于不同的CeO2含量對Pt粒子分散度及載體電導率的影響導致的。當mRGO∶mCeO2增加至1∶2時，Pt顆粒分散度最優(yōu)，尺寸最合適，因此ESA增加了。但當mRGO∶mCeO2超過1∶2時，載體的電導率受到很大影響，因此ESA降低。因此，添加適量的掃帚狀CeO2能夠提高催化劑的電化學活性表面積。

圖7 五種催化劑在飽和N2的0.5 mol·L-1 H2SO4溶液中的循環(huán)伏安曲線FiL.7 Cyclic voltammetric curves of five catalysts in 0.5 mol·L-1 H2SO4 solution saturated with N2

表3 五種催化劑的電化學活性表面積、氧化峰電位及電流密度Table 3 Electrochemical activity of five catalysts:active surface area,oxidation peak potential and current density

2.3.2 催化劑的乙醇循環(huán)伏安表征

圖8為5種催化劑在1 mol·L-1CH3CH2OH+0.5 mol·L-1H2SO4溶液中對乙醇電化學氧化的循環(huán)伏安曲線，掃描速度為50 mV·s-1，電位范圍為0.0～1.2 V。從圖中可以看出，5種催化劑在正掃時產生2個氧化峰，負掃時產生1個氧化峰，并且其對應的氧化峰峰值電位相近。正掃時在0.0～0.4 V范圍內，電流密度上升幅度較??；0.4～0.8 V區(qū)域出現了電流密度峰值，主要對應乙醇完全氧化生成CO2，但在0.7～0.9 V區(qū)域，電流密度出現了下降；電位升高到1.0～1.1 V區(qū)域，出現乙醇氧化電流密度峰值，對應乙醇部分氧化生成乙醛和乙酸；在電位負掃區(qū)域，正掃時產生的氧化物(Pt-O)被還原，釋放了表面活性位，對乙醇的催化氧化能力恢復。由于正掃第一個峰對應于乙醇完全氧化生成CO2的過程，且氧化峰電流密度一般作為評估乙醇電化學氧化的指標[20]，所以本文選擇使用正掃第一個峰的電流密度來評估催化劑的催化性能。5種催化劑對乙醇氧化的峰電流密度如表3所示，由表可以看出峰電流密度大小排序為 4#＞3#＞5#＞2#＞1#。 可知， 添加了掃帚狀 CeO2的2#～5#催化劑的氧化峰電流密度均高于1#催化劑，這是由于掃帚狀CeO2具有三維開放式結構，利于反應物與產物之間的擴散，且CeO2的儲-放氧作用以及Pt/CeO2間的雙功能機理提高了催化劑的抗CO中毒能力，從而有效提高了催化劑的催化效率。同時可知，4# 催化劑(mRGO∶mCeO2=1∶2)的峰電流密度最大，說明添加適量的掃帚狀CeO2有利于提高催化劑對乙醇氧化的峰值電流密度。因此，4#催化劑(mRGO∶mCeO2=1∶2)具有較好的對乙醇催化氧化的能力。

圖 8 五種催化劑在 1 mol·L-1 CH3CH2OH+0.5 mol·L-1 H2SO4溶液中的循環(huán)伏安曲線FiL.8 Cyclic voltammetric curves of five catalysts in 1 mol·L-1 CH3CH2OH+0.5 mol·L-1 H2SO4 solution

2.3.3 催化劑的I-t曲線表征

圖 9為 5種催化劑在飽和 N2的 1 mol·L-1CH3CH2OH+0.5 mol·L-1H2SO4溶液中的 I-t曲線，測試電位為0.6 V，測試時間為1 100 s。由圖可知，5種曲線均有下降趨勢，這是由于催化劑被乙醇氧化反應所產生的中間物種如CHOads和COads等毒化，使電流密度急劇降低。隨著反應的進行，Pt表面吸附的中間物種氧化脫附與吸附過程趨于平衡，電流密度趨于穩(wěn)定。當反應時間為1 000 s時，5種催化劑的穩(wěn)態(tài)電流密度如表3所示。由表可看出穩(wěn)態(tài)電流密度大小順序為 4#＞3#＞5#＞2#＞1#。 綜合分析圖 9，4# 催化劑的穩(wěn)定性及抗CO中毒能力最好，對乙醇的催化氧化性能最佳，與圖8循環(huán)伏安分析相吻合。

圖9 五種催化劑在飽和N2的1 mol·L-1 CH3CH2OH+0.5 mol·L-1 H2SO4溶液中的 I-t曲線FiL.9 I-t curve of five catalysts in 1 mol·L-1 CH3CH2OH+0.5 mol·L-1 H2SO4 solution

2.3.4 催化劑的電化學阻抗譜表征

圖10為5種催化劑在0.4 V電位下及1 mol·L-1CH3CH2OH+0.5 mol·L-1H2SO4溶液中的交流阻抗Nyquist圖，頻率范圍為 1×105～0.1 Hz；交流信號正弦波振幅為10 mV。在醇類催化的交流阻抗Nyquist圖中，右半圓的直徑主要表示醇類催化反應中所產生的電荷轉移電阻，其與醇類催化反應進行的難易程度相關[34]。因此，由圖可知，添加了掃帚狀CeO2的2#～5#催化劑的電荷轉移電阻均小于1#催化劑，這說明掃帚狀CeO2的加入提高了Pt顆粒的分散度，同時其三維開放式結構增強了催化劑的質子傳導性，有利于電荷轉移電阻的降低，乙醇的催化反應更容易進行。同時可看出，當mRGO∶mCeO2增加至1∶2時，Pt顆粒的分散度最好，催化劑的質子傳導性最佳，因此電荷轉移電阻最小，但當mRGO∶mCeO為 1∶3時，電荷轉移電阻又出現了增加，可以解釋如下：當CeO2添加過量時，其作為非導電性物質會對催化劑載體的導電性產生不良影響，因此催化劑的電荷轉移電阻會隨之增大，乙醇的催化反應較難進行。綜合分析圖10，4#催化劑的電荷轉移電阻最小，乙醇的催化反應最容易進行，與上述循環(huán)伏安及計時電流曲線分析相吻合。

2.3.5 催化劑的變溫循環(huán)伏安曲線-阿倫尼烏斯方程

圖10 五種催化劑在0.4V電位下及1 mol·L-1 CH3CH2OH+0.5 mol·L-1 H2SO4溶液中的交流阻抗Nyquist圖FiL.10 Nyquist plots of impedance spectroscopy for five catalysts in 1 mol·L-1 CH3CH2OH+0.5 mol·L-1 H2SO4 solution at 0.4 V

在25～60℃范圍內對1#～5#催化劑進行循環(huán)伏安測試，電解液為 1 mol·L-1CH3CH2OH+0.5 mol·L-1H2SO4溶液，掃描速度為50 mV·s-1，電位范圍為0.0～1.2V，得到了5種催化劑的變溫循環(huán)伏安曲線(圖11)。其阿倫尼烏斯方程為：

其中ip是峰電流密度，R是理想氣體常數，K是常數，Ea是阿倫尼烏斯活化能，T是溫度。將(2)式變換可得：

由圖11可知，隨溫度的升高，5種催化劑正掃第一個峰的峰值電流密度逐漸增大。這是由于隨著溫度在一定范圍內升高，催化劑對乙醇催化氧化反應速率提高，反應產物如CO或CO2均以氣體形式逸出，反應朝正向進行，提高了峰值電流密度。

以ln ip對1/T作圖，擬合之后可以得到斜率k，由k=-Ea/R計算得到乙醇催化氧化的活化能Ea，如圖11(f)所示。擬合之后得到各樣品的斜率分別是-6.44、-5.82、-3.61、-2.50 和-4.62， 相應的活化能分別是 53.54、48.39、30.01、20.79 和 38.41 kJ·mol-1，其中3#和4#催化劑的活化能低于文獻報道的Pt/C催化劑的 33 kJ·mol-1[35]。同時可知，與 1# 相比，加入掃帚狀CeO2的2#～5#催化劑的活化能明顯降低，反應更容易發(fā)生，且 4#(mRGO∶mCeO2=1∶2)的活化能最低，這與上述電化學測試的結論一致。

圖11 五種催化劑的變溫循環(huán)伏安曲線(a～e)及阿倫尼烏斯方程擬合曲線(f)FiL.11 Cyclic voltammetry at various temperatures(a～e)and fittinLcurves of Arrhenius equation(f)for five catalysts

3 結 論

采用水熱法，以檸檬酸鈉為形貌控制劑，根據奧斯瓦爾德熟化與晶體生長機制，合成了比表面積為 175 m2·L-1，孔徑在 2～4 nm范圍內的掃帚狀CeO2。再采用微波輔助乙二醇還原氯鉑酸法成功合成了Pt-CeO2/RGO催化劑。通過XPS測試證實了Pt納米顆粒與CeO2間存在強的相互作用。電化學性能測試結果表明，添加掃帚狀CeO2催化劑的催化性能均優(yōu)于未添加的催化劑。同時，催化劑的電催化性能取決于掃帚狀CeO2的添加量，當mRGO∶mCeO2=1∶2時，催化劑對乙醇的催化氧化活性、穩(wěn)定性最佳，乙醇在該催化劑上催化反應的電荷轉移電阻最小，活化能最低。因此，Pt-CeO2/RGO催化劑可以作為直接乙醇燃料電池的廉價、高效的陽極催化劑。