Cases
【應用分享】超快焦耳熱沖擊法高效制備?TS-PtCoCu/CNTs?復合催化劑
2026-07-06
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.01.090?
直接乙醇燃料電池（DEFCs）具備燃料低毒、生物質原料易得、能量轉化效率高等優勢，但乙醇電氧化反應（EOR）動力學遲緩制約其規模化應用。商用?Pt?基催化劑存在四大痛點：
1.貴金屬Pt?儲量稀缺、成本高；
2.易被反應中間體CO?毒化，抗中毒能力差；
3.C-C?鍵斷裂選擇性低，能源利用率低；
4.傳統制備工藝（水熱、管式爐退火）升溫/?降溫速率慢，金屬顆粒易團聚；合成需表面活性劑、還原劑，殘留物質覆蓋活性位點；貴金屬原料轉化率低，且難以同時實現高載量、納米級均勻分散。
1.超快綠色合成工藝：采用焦耳熱沖擊，僅需幾秒鐘完成催化劑制備，無需還原劑、表面活性劑；搭配冷凍干燥預處理，抑制碳管與金屬前驅體團聚，金屬原子被限域實現受限成核生長；碳納米管（CNTs）原位碳熱還原金屬鹽，簡化流程、降低能耗。
2.高貴金屬利用率：實現Pt?高負載且納米顆粒均勻分散，貴金屬原料到催化劑轉化率高；最優樣品?Pt?實際負載?14.98%，原子比?Pt:Co:Cu≈2.2:1.2:1，與投料配比高度匹配。
3.三元合金電子調控優勢：Co、Cu?雙非貴金屬共摻雜調控?Pt?電子結構，同步解決?CO?中毒與?C-C?斷裂難題。
4.系統多維度驗證：結合物相/形貌表征、電化學測試、DFT?理論計算，完整闡明?EOR?催化機理。
1.前驅體制備：六氯鉑酸、氯化鈷、氯化銅溶于超純水，與碳納米管超聲混合，調控Pt?理論負載?10%/15%/20%，Pt:Co:Cu?投料摩爾比?2:1:1；攪拌形成水凝膠。
2.冷凍干燥24 h，研磨粉末負載于碳布。
3.氬氣手套箱內熱沖擊處理：電壓25 V、電流?10–20 A，2 s?內573–1074 K，極速冷卻，得到?TS-PtCoCu/CNTs?系列催化劑。
4.對照組：傳統管式爐退火制備FA-PtCoCu/CNTs（873 K、3 h、H?/Ar?混合氣），商用?Pt/C?作為基準。
1.物相（XRD）：形成?PtCoCu?三元?fcc?合金，衍射峰向高角度偏移，Co/Cu?摻入收縮?Pt?晶格。
2.碳缺陷（Raman）：ID/IG=1.13，碳載體缺陷最多，利于物質吸脫附。
3.孔結構（BET）：比表面積120.9m2?g-1，微孔介孔共存，暴露大量活性位點。
4.電子價態（XPS）：Pt、Co、Cu?存在金屬態與氧化態；Pt?結合能正移，d?帶中心下移，金屬間存在電子相互作用。
5.微觀形貌（電鏡）：4.5 nm?超細合金顆粒均勻分散在碳納米管，含大量晶格缺陷；傳統退火樣品顆粒粗大、嚴重團聚；元素均勻分布，金屬負載與投料基本一致。
1.?催化活性
●?ECSA?達61.9m2g-1，高于退火對照與商用?Pt/C；
●?質量活性3.58A?mgPt-1、比活性5.79mA?cm-2，為商用?Pt/C?十幾倍，優于多數已報道鉑基催化劑；
●?起波電位最低、Tafel?斜率最小，乙醇氧化動力學更快。
2.?穩定耐久性
3600 s?計時電流、500?圈?CV?循環后，電流與質量活性保留率均為所有樣品最高，抗中毒、抗衰減能力顯著更強。
開發超快低成本焦耳熱沖擊合成路線，同步解決乙醇燃料電池鉑催化劑成本高、易CO中毒、C-C?鍵斷裂差、制備繁瑣等痛點，為多元鉑基電催化劑設計與量產提供新思路與理論支撐。
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