第43卷第4期 2015年4月 燃料化学学报 Vo1.43 NO.4 Apr.2015 Journal of Fuel Chemistry and Technology 文章编号:0253-2409(2015)04-0507-06 聚苯胺炭复合载体制备的钯催化剂对甲酸的电催化氧化 邹璐,邓超,高 颖,邬冰 150025) (哈尔滨师范大学化学化工学院,黑龙江哈尔滨摘 要:制备了导电高分子聚苯胺与活性炭的复合载体(PAnC),用PAnC作为载体制备的钯催化剂性能优于单独活性炭作 为载体制备的催化剂。此外掺杂十二烷基磺酸钠制备的聚苯胺碳载体(PAnC—S)具有比PAnC更低的电荷传递电阻,10~ 25 nln的介孔数量明显增加,比表面积增大到94.9 113 /g。PAnC—S与PAnC粒径均匀,粒径均在30 nnl左右。以PAnC—S和 PAnC为载体制备的钯催化剂比活性炭作载体制备的钯催化剂具有更大的电化学比表面积,分别为84.7和62.6 rll /g。对甲 酸的氧化具有更高的电化学活性和稳定性。 关键词:聚苯胺;甲酸;电催化;钯 中图分类号:0646 文献标识码:A Palladium catalysts supported by polyaniline carbon composite for formic acid electrooxidatiOn ZOU Lu,DENG Chao,GAO Ying,WU Bing (College of Chemist ̄&Chemical Engineering,Harbin Normal University,Harbin 150025,C ina) Abstract:The composite support(PAnC)with conductive polymer polyaniline and activated carbon are prepared.The catalytic performance of the Pd catalySt prepared with PAnC as a support is better than that of the catalyst prepared wiht activated carbon alone.In addiiton,the polyaniline carbon support(PAnC—S),which prepared with doping sodium dodecyl sulfate,owns lower charge transfer resistance,more mesoporous between 10~25 am,larger specific surface area,94.9 m /g.PAnC-S and PAnC have uniform particle sizes of about 30 nm.The Pd catalysts prepared with PAnC-S and PAnC support have larger electrochemical surface area.84.7 nd 62.6 m /g,respectaively.Pd/PAnC.S and Pd/PAnC have higher activity and stability for formic acid electrooxidation compared with the Pd/C. Key words:polyaniline;formic acid;electro-catalysis;palladium 直接甲酸燃料电池以甲酸为燃料,甲酸具有无 化剂载体的研究多集中在膜电极或在碳纳米管、碳 毒,不易燃,Naiton膜透过率低等优点而被广泛研究 和使用¨ J。Pd催化剂是甲酸在阳极电化学氧化性 能较好的催化剂,但在甲酸氧化的过程中很容易失 纤维及石墨烯表面修饰方面。而聚苯胺在价格低廉 的活性炭表面的修饰以及聚苯胺对载体的影响报道 很少,实验将对这方面做较为详细的研究。对导电 高分子研究发现,一些聚合物如聚苯胺、聚吡咯、聚 噻吩等在掺杂后导电性有显著提高。所谓掺杂就是 电子给体与受体和共轭聚合物作用而使导电性增加 的过程 。掺杂剂可以是无机酸,也可以是大分 活 J。活性炭作为催化剂的载体,其不稳定性是催 化剂失活的主要原因之一 。近年来,导电高分子 聚合物如聚苯胺、聚吡咯等,由于其具有共轭的电子 结构,具有良好的导电性和稳定性,已经越来越多应 用于电催化剂载体。Pandey等 发现,Pd/PAn纳 米膜具有高活性表面和较高的氢吸附能力,对甲酸 的电催化氧化具有较高的活性;有研究发现,这种电 催化氧化能力的提高是由于钯和聚苯胺之间产生的 子酸或大分子酸盐_1 。在掺杂过程中,聚合物链与 掺杂剂之间并无电子迁移,而是掺杂剂的质子附加 于主链碳原子上,质子所带电荷在共轭链上延展开 来而削弱了共轭订系统,从而提高了这些高分子聚 合物的电导率 3'H J。常用的合成聚苯胺方法主要 协同作用 .7_。Dong等 将贵金属沉积到聚苯胺 上可以提高催化剂在甲酸中的电催化活性和稳定 性,金属的粒径约为5 nm。这些将聚苯胺作为电催 收稿日期:2014—10-29;修回日期:2015-01-05。 有化学氧化聚合法¨ 、电化学聚合法¨ 、界面聚合 法 " 、快速聚合法 等。 基金项目:哈尔滨市科技创新人才专项资金(2010RFXXG018);黑龙江省自然科学基金(B201002);黑龙江省高校科技创新团队建设计 划(2011TD010)。 联系作者:邬冰(1962一),女,黑龙江哈尔滨人,博士,教授,研究方向直接甲酸燃料电池阳极电催化氧化, E—mail:betrywu709@163.com。 508 燃料化学学报 第43卷 研究采用化学氧化聚合法制备聚苯胺碳复合载 体,即在活性炭表面合成聚苯胺(PAnC)。并研究 了聚苯胺掺杂十二烷基磺酸钠制备的载体PAnC—S, 研究发现,在聚苯胺碳中掺杂掺杂十二烷基磺酸钠 制备的载体(PAnC.S)具有更好的性能。以PAnC—S 作为载体负载金属钯,制备的Pd/PAnC.S催化剂对 甲酸的电催化氧化具有很好的催化活性和稳定性。 1 实验部分 1.1试剂和仪器 Vulcan XC-72R活性炭(Cabot公司)、Nation 溶液(质量分数5%)、十二烷基磺酸钠、苯胺、氯化 钯、硼氢化钠、过硫酸氨、乙二醇(分析纯)和甲酸 (分析纯)。N:纯度为99.99%(哈尔滨卿华工业气 体有限公司),电化学测试用CHI660(上海辰华仪 器有公司),常规三电极体系。 1.2聚苯胺碳载体的制备 PAnC的制备:将活性炭分散在3次去离子水 中,超声振荡2 h后,将0.1 IIlL苯胺用3次去离子 水稀释后加入到体系中,磁力搅拌30 min。在冰水 浴中,缓慢加入过硫酸铵溶液反应4 h。将产物过滤 洗涤至溶液颜色澄清且滤液呈中性,在50℃下真空 干燥15 h。制备的聚苯胺炭载体中聚苯胺与活性炭 的质量比为1:4。 PAnC—S的制备:将活性炭、十二烷基磺酸钠分 散在3次去离子水中超声振荡2 h后,将0.1 mL苯 胺用3次去离子水稀释后加入到体系中,磁力搅拌 30 min。其他步骤与PAnC的制备完全相同。 1.3催化剂的制备 将1.2部分制备的两种载体PAnC.S,PAnC分 别分散在乙二醇体系中,在磁力搅拌下逐滴加入氯 化钯溶液,反应30 min。加人适量的4 moVL NaOH 溶液,调节pH值为8.0~9.0。向体系中加入过量 的NaBH 溶液,反应2 h。过滤洗涤至无C1一且滤液 呈中性,在100 oC下恒温真空干燥8 h,即得Pd/ PAnC—S和Pd/PAnC催化剂。 1.4 电极的制备及电化学测试 分别取1.3部分制备的Pd/PAnC和Pd/PAnC. S催化剂分散在少量乙醇中,再加入适量Nation溶 液和PTFE乳液超声震荡混合后,均匀的涂在炭纸 上,涂覆面积为0.5 cmx1 cm,室温下自然干燥待 用。制备电极的Pd载量为1mg/cm 。电化学测试 使用的参比电极为饱和Ag/AgC1电极,辅助电极为 铂丝。选用的电解液为0.5 moVL H SO 溶液和 0.5 moVL H2SO4+1 moVL HCOOH溶液,扫描速率 为10 mV/s。电化学测试在室温25℃下进行,测试 前通人高纯度的氮气10 min以除去溶液中溶解的 氧及电解池上方空气中的氧气。 2结果与讨论 图1为3种载体在0.5 moVL H SO 溶液中的 循环伏安曲线。由图1可知,未掺杂的聚苯胺碳载 体PAnC比单独的活性炭载体的双电层电流大,而 掺杂十二烷基磺酸钠后的聚苯胺碳载体PAnC—S,具 有最大的双电层电流。说明PAnC比碳载体具有更 大的活性比表面积,而PAnC—S载体具有最大的活 性比表面积。此外在0.4-4).5 V,PAnC和PAnC.S 上都出现一对氧化还原峰,这是聚苯胺的氧化还原 峰 。这对氧化还原峰在PAnC.S上氧化还原峰 电流较大,说明掺杂后的聚苯胺表面有较多的活性 基团,这些活性基团有利于Pd在载体表面的分散。 图1载体PAnC、PAnC—S和C 在硫酸溶液中的循环伏安曲线 Figure 1 Cyclic voltammograms curves of PAnC, PAnC—S and C in 0.5 mol/L H2 SO4 solution 图2(a)、(b)、(C)由3种载体的SEM照片。 由图2(a)、(b)、(C)可知,3种载体的粒子大小都相 近,而PAnC和PAnC-S粒径更均匀一些,可以推测 聚苯胺是在活性炭的表面形成。PAnC和PAnC。S 载体粒径约为30 nm。图2(d)、图2(e)分别为Pd/ PAnC、Pd/PAnC-S的TEM照片,深色的粒子为附 载的金属Pd,两张照片中Pd粒子的直径相差不大, 但Pd在PAnC—S上分散的更好,说明聚苯胺中掺杂 十二烷基磺酸钠后,有利于Pd在载体表面的分散。 512 燃料化学学报 第43卷 [6]LIAO C,WEI Z D,CHEN S G,LI L.Synergistic effect of polyaniline modiifed Pd/C catalysts on formic acid oxidation in a weak acid medium(NH4)2SO4[J].J Phys Chem C,2009,113(14):5705-5710. [7]DHAOUI W,HASIK M,DJUIRADO D,BEMASIK A.Redox behaviour of polyaniline—palladium catalytic system in the presesnce of formic acid[J].SynthMet,2010,160(23):2546-2551. [8]DONG Q Z,ZHU L Y,WANG H S,GUO C.Polyaniline poly(O-methoxyaniline)composite films as supports of Pt—Ru nanoparticles for formic acid electro—oxidation[J].Int J Electrochem Sci,2014,9(12):8024-8044. [9] ZHANG Q,LIY,LIY.Elec打0polymerizati0n ofgrapheme oxide/polyaniline compositeforhigh—performance supercapacitor[J].Electrochim Acta,2013,90:95-100. [10] CHUNG W,SIN J C,PIN R C.Doping process effcte of polyauiline doped with poly(stryrenesulonifc acid)supported platinum for methanol oxidation[J].J Taiwan Inst Chem Eng,2013,44(3):497-504. [11]MOGHADDAM R,PICKUP P.Formic acid oxidation at spontaneously deposited palladium on polyaniline modified carbon fibre paper[J]. Electrochim Acta,201l,56(22):7666-7672. [12] 孙通,李晓霞,郭翔宇,赵纪金,马森,赵楠.不同酸掺杂聚苯胺的电化学聚合及性能[J].化工进展,2013,32(8):1870—1876. (SUN Tong,LI Xiao—xia,GUO Xiang—yu,ZHAO Ji-jin,MA Sen,ZHAO Nan.Electrochemical polymerization and properties of polyaniline doped with different acids[J].Chem Ind Eng Prog,2013,32(8):1870—1876.) [13]吴丹,朱超,强骥鹏,王杨勇.聚苯胺的掺杂及其应用[J].工程塑料应用,2006,34(9):70-73. (wu Dan,ZHU Chao,Q ̄ANG Ji-peng,WANG Yang—yong.Doping and application ofpolyaniline[J].Eng Plast Appl,2006,34(9):70— 73.) [14] H0U J X.LIU Z L.ZHANG P Y.A new method for fabrication of graphene/polyaniline nanocomplex modiied mifcr0bil fauel cell anodes [J].J Power Sources,2013,224:139-144. 64. [15] 刘艳花,肖利,方正.高氯酸掺杂聚苯胺的合成及其电化学性能[J].湖南师范大学自然科学学报,20l1,34(2):59-(LIU Yan—hua,XIAO Li,FANG Zheng.Preparaiton of perchloric acid doped plyaniline nda its electrochemical perfomarnce ̄J].J Hunan Norm Univ,Nat Sci Ed,2011,34(2):59-64.) [16] ZHANG H R,WANG X,SHAN Q,WANG Z.Tunable electrode morphology used for high performance supercapacitor polypyrrole nanoaterilsa as model materils[J].Elaectrochim Acta,2013,90:535-541. [17] GUADAGNINI L,TONELLI D,GIORGETI'I M.Improved performances of electrodes based On Cu“一loaded copper hexacyanoferrate for hydrogen peroxide detcteion[J].Electrochim Acta,2010,55(17):5036-5039. [18] 张悦,汪广进,潘牧.基于碳纸电极电化学快速合成聚苯胺纳米纤维[J].高等学校化学学报,2014,35(10):2234-2238. (ZHANG Yue,WANG Guang-jin,PAN Mu.Fast electropolymerization of polyaniline nanofibers on carbon paper[J].Chem J Chin Univ, 2014,35(10):2234-2238.) [19] GAO Z,YANG W L,WANG J,YAN H J.Electrochemical synthesis of layer-by・layer reduced graphene oxide sheets polyaniline nanofiber composite and its electrochemical performance[J].Electrochim Acta,2013,91:185—194.