​河海大学–空间构建超小尺寸Pt 修饰的3D尖晶石氧化物改性N掺杂石墨烯纳米结构作为高效甲醇氧化电催化剂

直接甲醇燃料电池技术近年来成为学术界和工程界关注的焦点，刺激了高活性、长寿命的先进电极催化剂的开发和利用。在此，展示了一种稳健的自下而上的方法，通过可控的自组装过程，用超小型 Pt 纳米颗粒 (Pt/MnCo2O4-NG) 装饰三维 (3D) 尖晶石锰钴氧化物改性 N 掺杂石墨烯纳米结构的空间结构。MnCo₂O₄纳米晶体的掺入提供了丰富的羟基源，促进Pt位点上类CO副产物的氧化去除，而3D多孔N掺杂石墨烯网络的存在促进了杂化系统中离子和电子的传输，从而产生了甲醇氧化过程中具有显着的协同耦合效应。因此，优化的Pt/MnCo₂O₄-NG纳米结构表现出优异的电催化性能，具有99.5 m² g^-1的大电化学活性表面积、1508.3 mA mg^-1的高质量活性、强毒性和可靠的长期耐用性，与相同Pt用量的传统Pt/炭黑、Pt/碳纳米管、Pt/石墨烯、Pt/N掺杂石墨烯催化剂相比，具有明显的竞争优势。

Fig 1. 3D Pt/MnCo₂O₄-NG纳米结构的总体合成过程：（1）通过石墨粉氧化制备GO纳米片；(2) MnCo₂O4纳米晶修饰的3D N掺杂石墨烯气凝胶的构建；(3) 在3D MnCo₂O₄-NG气凝胶表面原位生长小尺寸Pt。

Fig 2. 3D Pt/MnCo₂O₄-NG 纳米结构的形态分析：典型的 a、b FESEM、c、d TEM 和 e、f HRTEM 图像显示在 3D MnCo₂O₄-NG 网络上生长的大量超细 Pt 纳米粒子，以及（d 中的插图）尺寸Pt纳米晶的分布；g HAADF-STEM 和 h C、i N、j O、k Co、l Mn 和 m Pt 的元素映射图像。

Fig 3. Pt/MnCo₂O₄-NG纳米结构的结构表征：a Pt/MnCo₂O₄-NG、Pt/G和GO样品的XRD图谱和b拉曼光谱；c Pt/MnCo₂O₄-NG和GO样品的N₂吸附-脱附等温线和d孔径分布。

Fig 4. Pt/MnCo₂O₄-NG 纳米结构的 XPS 分析：XPS 调查光谱显示存在 C、N、Mn、Co、O 和 Pt 成分；高分辨率 b C 1s、c N 1s、d Mn 2p、e Co 2p 和 f Pt 4f 光谱表明混合纳米结构中共存金属 Pt、MnCo₂O₄ 和 N 掺杂石墨烯

Fig 5. 3D Pt/MnCo₂O₄-NG催化剂用于甲醇电氧化的电催化性能：不同Pt/Mn Co₂O₄-NG电极和b Pt/(MnCo₂O₄)₂-(NG)₁、Pt/NG、Pt/G、Pt/的CV曲线CNT 和 Pt/C 电极，在 0.5 mol L^-1 H₂SO₄ 溶液中，电压为 50 mV s^-1；c 这些研究电极的具体 ECSA 值；d 不同 Pt/MnCo₂O₄-NG 电极和 e Pt/ (Mn Co₂O₄)₂-(NG)₁、Pt/NG、Pt/G、Pt/CNT 和 Pt/C 电极在 0.5 mol L^-1 H₂SO₄ 和 1 mol L^-1 CH₃OH 混合物50 mV s^-1 下的 CV 曲线；这些研究电极的 f 质量和比活度。

Fig 6. 0.5 mol L^-1 H₂SO₄ 和 1 mol L^-1 CH₃OH 混合物中测量的 Pt/(MnCo₂O₄)₂-(NG)₁、Pt/NG、Pt/ G、Pt/CNT 和 Pt/C 电极的 a LSV 曲线、b 塔菲尔图、c 计时电流和 d 计时电位响应，其中用于计时电位测试的电流是通过在 0.5 V 下正向扫描相应 CV 曲线获得的；e, f Pt/ (MnCo₂O₄)₂-(NG)₁、Pt/G、Pt/CNT 和 Pt/C 电极在 0.5 mol L^-1 H₂SO₄ 和 1 mol L^-1 CH₃OH 混合物中以 10 mV 幅度在各自开路电位下测量的交流阻抗谱。

相关研究工作由河海大学Hai-Yan He 和 Hua-Jie Huang课题组于2023年共同在线发表在《Rare Metals》期刊上，Spatial construction of ultrasmall Pt-decorated 3D spinel oxide-modified N-doped graphene nanoarchitectures as high-efficiency methanol oxidation electrocatalysts。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s12598-023-02418-6