多层石墨烯粉末增强铂锡电催化剂在乙醇氧化反应中的性能研究及其在燃料电池中的应用

为解决直接乙醇燃料电池（DAFC）中Pt基电催化剂易中毒、活性不足等问题，研究人员创新性地采用物理混合法将多层石墨烯（G）粉末与Pt2 Sn/C电催化剂结合。结果表明，10-wt%石墨烯添加使酸性电解质中电流密度提升34%，碱性条件下提升10%，同时显著增强耐久性。该研究为开发高效、低成本燃料电池催化剂提供了新思路。

　　

随着全球对可再生能源需求的增长，直接乙醇燃料电池（DAFC）因其高能量密度、环境友好等优势成为研究热点。然而，其核心组件——电催化剂的性能瓶颈始终难以突破：铂（Pt）基催化剂成本高昂且易被乙醇不完全氧化的中间产物（如CO）毒化，而传统合金化或载体改性方法往往工艺复杂、难以规模化。如何通过简单方法提升催化剂活性和稳定性，成为推动DAFC商业化应用的关键挑战。

针对这一难题，中国的研究团队创新性地提出将多层石墨烯（G）粉末与碳载铂锡（Pt₂
Sn/C）电催化剂物理混合的策略。相关成果发表在《Next Materials》的研究表明，该方法无需复杂化学修饰，仅通过石墨烯的物理掺混即可显著提升催化性能。在酸性电解质中，10-wt%石墨烯添加使电流密度达到238.07 mA·mg_Pt
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，较纯催化剂提升34%；碱性条件下亦实现10%的增幅。更值得注意的是，石墨烯的引入还降低了催化剂中毒速率，为开发低成本、高性能燃料电池提供了新思路。

研究团队采用多项关键技术验证其假设：通过化学还原法合成Pt₂
Sn/C电催化剂（金属负载量20-wt%），并利用热膨胀-超声剥离法制备无金属掺杂的多层石墨烯粉末；采用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征材料结构；通过三电极体系测试电化学性能，结合循环伏安法（CV）和计时电流法（CA）评估催化活性；利用能谱（EDS）和Scherrer方程分析组分与晶粒尺寸。

材料表征
XRD显示Pt₂
Sn/C具有面心立方结构（晶格参数0.392 nm），TEM证实其平均粒径为4.54 nm。石墨烯的XRD仅出现C(002)和C(004)峰，EDS验证其无杂质元素，SEM显示片层尺寸超50 μm，是碳载体Vulcan的500倍以上。这种尺寸差异使得少量石墨烯即可构建导电网络。

电化学性能
在0.5 M H₂
SO₄
中，Pt₂
Sn/C_90%
+G_10%
的电化学活性面积（ECSA）达54.63 cm²
·mg_Pt
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，较纯催化剂提升47.4%。2.0 M乙醇氧化时，其正向扫描电流密度峰值为238.07 mA·mg_Pt
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，且中毒速率（δ=0.01576% s^?1
）显著低于对照组（0.02467% s^?1
）。碱性条件下（1.0 M NaOH），该组合同样展现最优的起始氧化电位（-0.639 V vs. SCE）和稳定性。

机制讨论
石墨烯的增效作用可能源于三方面：1）其高导电性促进电荷转移；2）大尺寸片层结构为催化剂颗粒提供分散骨架；3）π电子体系可能参与乙醇氧化中间体的吸附/脱附过程。值得注意的是，过量石墨烯（如80-wt%）会导致质量传输受限，表明存在最佳掺杂阈值。

这项研究首次证明物理混合石墨烯可突破传统催化剂设计局限。相比碳纳米管或MXenes等材料，该方法工艺简单、成本低廉，且无需担忧材料氧化或堆叠问题。其成果不仅为DAFC催化剂开发提供新范式，更启示二维材料在能源转换领域的普适性应用潜力。未来研究可进一步解析石墨烯-金属界面的协同机制，并探索其在其他醇类氧化反应中的适用性。