燃料电池单分子催化到电堆成流过程的科学与化工问题研究

质子交换膜燃料电池在车用工况下的低使用寿命和高电池成本问题是阻碍燃料电池电汽车商业化的两大主要问题。针对燃料电池从电极反应的单分子催化到电堆成流过程的科学与化工问题，开展旨在提高燃料电池电极反应速率的基础科学问题和实现单电池成堆后系统能量、质量传递的过程优化。拟开展的主要研究内容有：通过调控催化剂的电子、几何构型达到调控反应机理，提高催化剂活性、抗毒性和稳定性；利用催化剂-载体间的相互作用，降低催化剂团聚能，增强催化剂的抗迁移能力，提高催化剂的抗团聚能力；在微观电子结构理论指导下，探索非铂催化剂的分子设计与合成；通过实验测定、微观/宏观分析与理论模型模拟等，探索质子交换膜燃料电池在车用动态工况下的加速衰减机理，提出电堆成流过程均一性实现的方法及抗衰减措施，为提高燃料电池车用寿命提供理论参考依据。

首次将导电聚苯胺用于修饰Pt/C催化剂，有效地解决了Pt/C催化剂因碳载体腐蚀、Pt溶解/再沉积以及Ostwald肿大而引起的性能衰减问题，催化剂的活性和稳定性得到显著提升；通过表面修饰在碳纳米管表面直接引入巯基官能团，制备了一种新型的SH-CNTs载体，运用密度泛函理论揭示了巯基化CNTs比羟基、羧基修饰的CNTs为载体的催化剂具有更好稳定性的原因；以两亲性的三嵌段共聚物作为还原剂和保护剂在水溶液中制备了具有致密Pt外壳的Pd@Pt催化剂，显著提高了催化剂的活性和稳定性；以三重金属碳化物钛铝碳（Ti3AlC2）为原材料，通过化学刻蚀的方法，制备了一种具有优异电化学稳定性的碳基替代载体材料；设计开发出离子交换-电沉积方法，制备的催化剂担载量可降到14µgPt.cm-2，以该电极为阳极，获得了较传统阳极0.3mgPt.cm-2担载量相同的电池输出功率，节约了95%的Pt；发明了有序化、抗水淹型催化电极，通过在电极微孔中预先加入对氧气有很高溶解度的超疏水性硅油，实现了气体传输和水排出通道的有序分离，使燃料电池输出功率从水淹时的0.6W/cm2提升1.2W/cm2；发展了基于扁平纳米反应器选择性制备平面氮掺杂石墨烯（NG）的方法，通过调控纳米反应器的间隙宽度（δ）可以有效调控氮掺杂类石墨烯的平面氮含量，在酸性环境下，NG的催化活性与JM Pt/C （25μg cm-2）的氧还原半波电位仅相差60mV； 开发了以二氧化钛纳米管阵列为载体的有序化膜电极，发展了基于CCM催化层的薄层有序结构膜电极规模化制备方法；建立了分式结构单池和目标单池隔离法测试手段，研究了动态工况下可能发生的燃料和氧化剂供应不足对PEMFC内部各参数分布特性的影响；揭示了燃料电池动态工况下衰减机理，为提高燃料电池使用寿命奠定基础。