1. 铂碳催化剂的定义与组成
铂碳催化剂(Pt/C)是将铂(Pt)纳米颗粒负载在碳材料(如活性炭、碳黑、石墨烯等)上的复合催化剂,是电化学和化工领域中应用最广泛的贵金属催化剂之一。其核心组成包括:
活性组分:铂纳米颗粒(粒径1-5nm),负载量通常为10%~60%(质量分数)。
载体:多孔碳材料(如Vulcan XC-72碳黑、碳纳米管),提供高比表面积(200-1500 m²/g)和导电性。
辅助成分:有时添加过渡金属(如钴、镍)或氧化物,形成合金或核壳结构以降低成本或提升性能。
2. 制备方法
原理:在碳载体表面还原铂前驱体(如H₂PtCl₆)生成铂颗粒。
工艺:
碳载体预处理(酸洗、氧化提高表面活性基团)。
浸渍铂盐溶液,搅拌吸附。
加入还原剂(如NaBH₄、乙二醇)或高温氢气还原。
特点:操作简单,但粒径分布不均。
(2)电化学沉积法
原理:在电场作用下将铂离子沉积到碳载体表面。
优势:可精确控制铂颗粒尺寸和分布,适合制备高活性催化剂。
(3)溶胶-凝胶法
流程:将铂前驱体与碳材料在溶胶体系中混合,经凝胶化、干燥、煅烧形成复合催化剂。
应用:适用于制备高分散性、高稳定性的Pt/C催化剂。
3. 主要应用领域
(1)氢燃料电池
作用:作为阴极氧还原反应(ORR)和阳极氢氧化反应(HOR)的催化剂,提升电池效率。
性能要求:高比活性(>0.1 A/mg Pt)、耐久性(>5000次循环)。
(2)化工加氢反应
应用:硝基苯加氢制苯胺、醛酮加氢制醇等。
优势:高选择性,可减少副反应。
(3)环保领域
VOCs处理:催化氧化挥发性有机物(如苯、甲醛)为CO₂和H₂O。
汽车尾气净化:三效催化剂(TWC)中辅助降低NOx和CO排放。
(4)电解水制氢
析氢反应(HER):铂碳催化剂加速质子还原生成氢气,效率远超普通电极。