石墨烯基多孔碳负载金属催化剂及其电催化性能研究

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) may be widely used in portable electronic devices due to its high energy density, high energy conversion efficiency, low operating temperature, and environmental friendliness. Nobel metal nanocatalysts are mostly used as the electrode materials for DMFC. To overcome the poor utilization coefficient of aggregated noble metal nanoparticles, the conductive substrate (e.g., carbon) has been selected as supports to disperse the nanoparticles. The electrocatalytic activity and stability of the catalysts strongly depend on the characteristics of the support. The purpose of this project is to fabricate a novel 2D porous carbon substrate (graphene-based porous carbon) for supporting metal nanoparticles, and enhancing the electrocatalytic activity and stability of the catalysts. Moreover, the effect of the properties of carbon substrates on the electrocatalytic performance of catalysts is investigated by fabricating graphene-based porous carbon with different structures and components. In addition, considering the high cost and CO poisoning of nobel metal catalysts, the purpose of this project is also to fabricate graphene-based porous carbon-supported non-noble metal catalysts and bimetallic catalysts, and study their electrocatalytic performances. A novel electrode materials for DMFC is expected through the research of this project in order to improve the performance of DMFC.

直接甲醇燃料电池（DMFC）具有高能量密度、高能量转换效率、低温快速启动和燃料洁净环保等特性，使其可能成为未来便携式电子产品应用的主流。直接甲醇燃料电池的电极多采用贵金属纳米催化剂。为了提高贵金属的利用率，常用导电性良好的碳材料做载体分散纳米催化剂颗粒。催化剂的电催化活性和稳定性很大程度上取决于碳载体的特性。本项目拟通过设计合成新型二维多孔纳米碳载体（石墨烯基多孔碳）来提高催化剂的电催化活性及稳定性。并通过调控石墨烯基多孔碳的结构和组成，探索碳载体的性能对催化剂电催化性能的影响。此外，鉴于贵金属催化剂的高成本及中毒特性，本项目还研究石墨烯基多孔碳负载非贵金属催化剂和双金属催化剂的制备及电催化性能。通过本项目的研究，有望提供一种新型的燃料电池的电极材料，以提高直接甲醇燃料电池的性能。

燃料电池由于其高能量密度和转换效率、低温快速启动和燃料洁净环保等优势，有望成为一种很有发展前景的能源动力装置。低温燃料电池的电极主要由贵金属催化剂构成。尽管贵金属催化剂（如铂）具有优异的催化性能，但其资源匮乏，价格昂贵，不利于商业化生产。此外，作为直接甲醇燃料电池的阳极催化剂，其较差的抗一氧化碳中毒能力也降低了电极的性能。本项目针对商业化铂碳催化剂存在的一些问题，拟从催化剂载体和催化剂本身入手，通过调控材料的形貌结构和组成来提高电极的性能。具体的研究包括：1）通过设计合成具有多孔结构的石墨烯基碳载体负载催化剂，有效的限制催化剂颗粒尺寸并抑制颗粒团聚和流失，在提高催化剂催化活性的同时，大幅度提升催化剂的稳定性；2）通过调控多孔碳载体的孔道尺寸，有效的控制燃料的传输，有针对性的提升催化剂的催化性能和择形催化能力；3）利用高质量的电化学剥离石墨烯（EEG）取代传统的还原的氧化石墨烯（rGO），并采用合金做催化剂，以提高电极的电催化性能；4）以金属有机框架材料（MOFs）为前驱体制备多孔碳负载催化剂，并通过引入第二种金属制备金属间化合物催化剂，以提高电极的电催化性能；5）以层状双金属氢氧化物（LDHs）为前驱体，可控合成具有异质结结构的金属/金属氧化物催化剂，以提高电极的电催化性能。此外，将本次项目研究中的催化剂载体引入到锂离子电池或锂硫电池中，可以大幅度提高电极的电化学性能。综上所述，通过对催化剂载体和催化剂本身的组成和结构的调控，可以有效的提高电极催化剂的电催化性能，包括较高的电流密度、长循环过程中的稳定性、较好的抗中毒能力以及特有的择形催化性能。本项目的研究有利于丰富和扩展燃料电池电极的种类，并提升燃料电池电极的性能。