等离子体技术制备石墨烯铂纳米复合物及其在直接甲醇燃料电池中的应用

The applicant by low-temperature plasma technology in carbon nanotubes, graphene carrier deposition of platinum, the results show that the low temperature plasma can remove oxygen groups of carbon nanotubes and graphene effectively, moreover, the reductive gas source have the better performance of plasma doping on the carrier, not only improve the conductivity of the carrier, but also enhance the ability of carrier adsorption of platinum ions. Furthermore, the reductive plasma can reduced metal ions effectively, thus increasing the deposition of metal on the carrier. The prepared carbon nanotubes and graphene platinum platinum composites are applied to the anode catalysts for direct methanol fuel cells, the electrical tests show that these plasma-prepared composites show better performance on resistance to poisoning and methanol oxidation ability than the commercial platinum catalyst.

利用低温等离子体技术在碳纳米管、石墨烯载体上沉积铂，结果发现，低温等离子体能够有效的去除碳纳米管和石墨烯上的含氧官能团，还原性等离子体对载体的掺杂效果更好，不但提高载体的导电性，还能增强载体吸附铂离子的能力。此外，还原性等离子体能有效的还原金属离子，从而增强了金属在载体上的沉积。电化学测试表明，这些等离子体技术制备出的碳纳米管铂、石墨烯铂复合物应用到直接甲醇燃料电池阳极催化剂中，抗中毒能力和催化甲醇氧化能力均较商用铂催化剂有较为显著的提高。

直接甲醇燃料电池由于其工作温度低、高能量密度等特点，成为人类解决能源危机的有效途径之一。作为燃料电池阳极的催化剂，要求贵金属铂以良好的形貌和大小分布于载体上并与载体结合牢固。这就需从两方面着手：一要负载均匀和粒径大小适中；二要载体需有大的比表面积，以提高贵金属的负载率，并且要有良好的导电性，以提供电子传输的通道，还要有稳定的特性，以防止在酸性环境中被腐蚀。研究表明，石墨烯具有良好的物理、电学性能，是铂催化剂的理想载体。纯石墨烯由于表面呈惰性，无法很好的锚定金属离子，氧化石墨烯表面含有的官能团能够对铂离子的吸附起到促进作用，因此可以用作载体原料。然而，其导电性差，需要对其进行还原以提高电子输运的效率。通常，浸渍法制备贵金属催化剂需使用大量的化学试剂，并且容易造成贵金属的流失，导致其利用率降低，电池成本提高。本项目利用低温等离子体技术在石墨烯载体上沉积铂，并且对比化学方法，确定不同气源等离子体（氨气、氩气、氢气）对氧化石墨烯进行表面处理的具体参数；建立石墨烯与铂用量之间的构效关系，确定等离子体技术一步原位制备石墨烯铂纳米复合物的最优化条件；确定理论模拟等离子体制备石墨烯铂复合物的最佳参数，构建理论模拟和实验之间的数量关系，确定该复合物对直接甲醇燃料电池中效率提高的因素；结果发现，低温等离子体能够有效的去除氧化石墨烯上的含氧官能团，所制备的石墨烯和石墨烯铂质量优于化学氧化还原法。此外，还原性气体能够掺杂载体，不仅能提高导电性，还能增强载体锚定金属的能力。电化学测试表明，这些等离子体技术制备出石墨烯铂复合物应用到直接甲醇燃料电池阳极催化剂中，抗中毒能力和催化甲醇氧化能力均较商用铂催化剂有较为显著的提高。总的来说，通过本项目，我们构建了等离子体法制备石墨烯铂的体系，为低温等离子体技术在电极材料上的应用打下坚实的基础，为减小铂的用量、提高石墨烯-金属复合物的催化活性创造良好的外部条件。