基于功能化修饰石墨烯和PAMAM的纳米复合膜的制备及其对低碳醇类氧化电催化性能

本项目拟对石墨烯等碳基材料进行功能化修饰以增强其水溶性，改变表面电荷性质和表面形态；利用聚酰胺-胺（PAMAM）具有的纳米结构模板和分子容器作用，合成低Pt含量或非Pt的多元金属核-壳结构的树形分子纳米复合物(DNCs)；并在二氧化钛纳米管阵列/钛(TNAs/Ti)等电极基底材料上，将功能化修饰的石墨烯、DNCs、过渡金属取代多金属氧酸盐(TMSP)等组分利用层层自组装方法制备多层纳米复合膜；用XPS、SEM、TEM、EDS、AFM、UV、EQCM、XRD等表征膜的组成、表面形态；研究复合膜对低碳醇类氧化的电催化性能，探讨催化作用机理，丰富石墨烯、PAMAM、POMs等材料的应用研究领域，为研发新型高效、低成本、抗毒化的燃料电池阳极催化剂提供理论及科学实验依据。

直接甲醇燃料电池具有能量转换效率高、污染排放低、结构简单、安全性高等特点，但限制燃料电池的实际应用的技术瓶颈之一是催化剂Pt系贵金属，价格昂贵，而且在催化甲醇氧化过程中容易被中间产物毒化，稳定性较差。.针对以上问题该项目在国家基金（NO. 21171037）资助下开展了较为系统深入的研究并取得了一些创新性的成果，主要内容如下：（一）引入多金属氧酸盐（POMs）设计合成复合膜催化剂，显著改善Pt(Pd)金属催化剂抗CO毒化性能。由功能化的水溶性石墨烯与POMs组分用LBL法自组装成膜后负载铂(钯)金属纳米粒子，构成Pt(Pd)/POMs-GNs复合膜催化剂，膜组分间的相互作用显著提高复合膜催化剂的电催化性能和抗CO毒化性能。（二）形貌控制合成Pt(Pd)金属催化剂，提高贵金属有效利用率，降低贵金属用量及催化剂成本。对石墨烯表面有目地进行功能化修饰或改性，以调控负载其上的活性中心组分铂(钯)粒子的形貌及分散性，显著提高贵金属的利用率和催化效能。（三）设计合成电光协同响应催化剂，显著提高催化剂的催化性能。将光敏性的过渡金属氧化物与石墨烯结合共同作为载体，用于负载铂(钯)金属粒子，实现外部光源照射下良好的电光协同催化效应，大幅度提高催化剂的催化性能。.总之，该项目研究以催化剂催化性能的提升、合成成本的降低及方法的简化为主线，以2D平面结构的石墨烯作为催化剂载体材料，选用结构特殊的水溶性高分子(PDDA、PEI、PAMAM、Chitosan、Cyclodextrin等)对石墨烯进行功能化修饰改性，有效控制Pt(Pd)纳米粒子在石墨烯表面的形貌及分散性，提升Pt(Pd)纳米粒子利用率，降低成本；同时在 Pt(Pd)/石墨烯复合物中合理有效引入具有优异氧化还原性能的POMs及光电特性的TiO2, Cu2O, ZnO, SnO2等第二组分，构筑多组分催化剂，发挥组分间协同催化效应，显著改善电催化甲醇氧化性能和抗毒化性能。实验研究结果表明所设计合成的系列复合物(膜)催化剂的催化性能明显优于商品化的Pt(Pd)/C催化剂及其他新近文献报道的类似催化剂，其中复合物Pt/G4/GNs、Pt/CS/GNs、Pt/TiO2/GNs、Pt/ZnO/GNs等的催化活性高于1000 mA mg-1。项目研究为研发新型高效、低成本的醇类燃料电池阳极催化剂提供了理论及科学实验依据。