等离子体法合成金属/碳复合纳米颗粒及其催化制氢性能

High efficient hydrogen production is a key in the development of hydrogen energy. For non noble metal catalysts, hydrogen production efficiency is low and service life is short, which limits their application. To solve these problems, we propose a metal/carbon nano composite structure system and use the synergistic effect between metal and carbon to adjust the combination energy of metal and hydrogen, enhance the catalytic activity, reduce the overvoltage and improve energy efficiency in the electrolytic hydrogen production. Moreover, the improvement of the catalyst stability of non noble metal catalysts can be expected due to the protective effect of carbon coating. .For the traditional synthesis in metal/carbon composites, there are many serious barriers in preparation such as tedious steps and poor controllability. In order to avoid these problems, a new tandem reaction system of magnetron sputtering and plasma deposition preparation is designed in this project and metal/carbon composites nanoparticles with smaller size and more uniform morphology can be synthesized. .We will carry out theory calculation and design of non noble metal catalysts, metal/carbon composite structure and binding energy regulation with hydrogen, synthesis mechanism and controllable preparation of metal/carbon composite material by double plasma synthesis, relationship between metal/carbon composite nano particle structure and catalytic hydrogen production performance as well as improvement and optimization of hydrogen production performance. This project not only enhances the catalytic efficiency of hydrogen production and promotes the development of hydrogen energy engineering, but also extends plasma synthesis from single element materials to multi-element materials and achieves breakthrough in synthetic methods.

高效率制氢是氢能源发展的一个重要环节。针对非贵金属催化剂的制氢效率低、寿命短等关键问题，本项目提出了金属/碳纳米颗粒复合结构体系，利用金属与碳之间的协同效应，实现对金属与氢的结合能调控，提高非贵金属催化剂的催化活性，降低电解制氢中的过电压，提高制氢能源效率，且通过碳的保护作用提高催化剂的稳定性。.在合成方面，针对传统方法在金属/碳复合材料制备中存在的步骤繁琐、可控性差等缺点，本项目提出一种磁控溅射和等离子体沉积串联反应的新型制备技术，可望制备颗粒更小更均匀的金属/碳复合结构。.本项目将开展非贵金属催化剂的设计和理论计算、金属/碳复合结构与氢结合能的调控、双等离子体合成机理和金属/碳复合材料可控制备、金属/碳复合纳米颗粒的结构和催化制氢性能优化等研究，既可期待催化制氢效率上的大幅提高，推动氢能发展，也可把等离子体合成从单组分材料拓展到二元复合材料，在合成方法上取得突破。

按照项目计划书，我们围绕着金属/碳复合材料的低温等离子体方法制备、等离子体条件下材料形成的机理、金属/碳复合材料微观结构调控、等离子体化学基础、金属/碳复合材料的结构和电极性能等一些关键科学问题开展了研究。在等离子体反应合理设计和金属与碳材料复合结构合成方面，我们探索了等离子体中的活性物种和化学过程、团簇的形成和演化机制、等离子体与材料的相互作用等关键机理。在此基础上探索了金属/碳复合材料微观结构调控的方法，以及复合结构对催化制氢性能的影响规律。.具体研究包括如下5个方面：1) 等离子体法合成Mg-Li纳米颗粒及其储氢性能、2) 等离子体制备石墨烯/镍复合结构及其在催化制氢中的应用、3) 等离子体制备Ni@NC纳米颗粒及其在催化制氢中的应用、4) 等离子体合成过渡金属磷化物纳米颗粒及其催化制氢性能、5) MOF的低温等离子体磷化及其电解水制氢应用。.我们发展了具有特色的等离子体反应装置来对MOF材料进行处理，避免了高温焙烧传统方法破坏MOF结构的问题。利用等离子体技术在较低温度下对MOF结构进行处理实现了配体的快速碳化，维持了MOF宏观形貌的同时得到粒径非常小的纳米颗粒，极大地减弱了高温煅烧条件下带来的颗粒团聚现象。通过这种合成提高纳米结构催化活性，获得性能优异的HER催化剂，这也是是当前高性能氢析出反应催化材料研究的核心和难点。.通过本项目的实施，发表SCI论文28篇（其中IF>10:10篇，他引400次），申请专利5项、其中获权专利1项，培养了博士后2、博士生6名、本科生8名，全面达到了各项预定指标。