温度可控扫描电化学显微镜分析系统的构筑及其在氧反应性能评价中的应用

To achieve high-throughput analysis of electrocatalysts towards oxygen reduction reaction (ORR) at variable temperatures is one of the key research challenges in many greenn energy storage and conversion systems, such as fuel cells and metal air-batteries. This is because the properties of different electrocatalysts towards ORR evaluated at room temperature are generally far from the real properties of the electrocatalysts operated at industrial high temperatures, thus limiting the further development of the electrocatalysts. On the other hand, to develop non-precious catalysts derived from the earth-abundant materials has also attracted enormous attention. Therefore, to develop a temperature-controllable analytical platform, which is based on the high-throughput Scanning Electrochemical Microscopy (SECM), is the first goal of this project. Meanwhile, to derive heteroatom-doped carbon-based catalysts from pristine coal will be as a strategic method to obtain ORR electrocatalysts in consideration of its abundance in the earth and its environmentally friendly value-added use. The influence of the coal properties and the carbonization process on the electrocatalytic properties of a series of coal-derived carbon-based electrocatalysts will be the focus of the research. The prepared coal-derived carbon-based catalysts will be further systematically evaluated by the developed temperature-controllable SECM. In combination with other techniques for analyzing the chemical properties, the interrelationship of physical, chemical and electrochemical properties of the prepared catalysts at varied temperatures will be carefully studied.

实现新能源转换存储系统中氧还原电催化材料在非常温下的高效分析与筛选是亟待解决的难题，因为传统的氧还原电催化材料的性能分析研究都是在常温下进行，这会与实际工业高温操作下的电催化反应性能相差甚远，从而制约了催化材料的进一步发展；另一方面，利用地球上丰富可用资源开发绿色环保的各类新型氧还原电催化材料也是目前研究的重点。因此，本项目拟构筑一个基于高分辨率扫描电化学显微镜的温度可控的分析系统，发展可以应用于非常温条件下的氧还原电催化剂的高效筛选和分析方法；同时提出利用传统煤炭资源制备高附加值氧还原电催化材料，重点研究煤炭的组成和高温碳化机制对煤基电催化材料的氧还原电化学性能的影响；利用温度可控的扫描电化学显微镜分析系统探索不同温度下的电催化材料的微区物理形貌、化学组成和电催化氧还原性能之间的构效关系，为规模化制备高附加值的氧还原电催化材料奠定科学基础和提供非常温条件下的真实性能实验依据。

传统的氧还原和水解析氧电催化材料的性能分析研究都是在常温下进行，这与实际工业高温操作下的电催化反应性能相差甚远，实现新能源转换存储系统中氧反应电催化材料在非常温下的高效分析与筛选是亟待解决的难题；另一方面，利用地球上丰富煤炭资源开发绿色环保的各类新型氧还原和水解析氧电催化材料是煤炭高附加值深加工利用的新发展趋势。因此，本项目利用传统煤炭资源设计构筑了一系列高附加值氧还原和水解析氧电催化材料，重点研究了煤炭的组成、酸预处理、预氧化和高温不同气氛和温度热解碳化对煤基多孔碳材料的物理形貌、化学组成及电催化氧还原和水解析氧性能的影响；探究了其与过渡金属及其氧化物复合对进一步提升水解析氧反应性能的重要原因，以及利用煤炭作为碳源直接催化生长纳米管制备三维碳纳米管改性煤基多孔碳材料的可行性。研究表明，褐煤为制备氧反应电催化剂的首选煤种，酸预处理可以造成更多表面缺欠，更易在高温氨气热处理过程中引入氮原子制备具有良好氧还原性能的氮掺杂煤基多孔碳材料；预氧化可助多孔结构的形成，因此有利于煤基质中挥发性组分的分解，从而产生更多的表面和边缘缺陷，提高煤基碳材料的氧还原反应性能；而不经过任何预处理直接高温热解碳化所制备的煤基碳材料拥有良好的氧还原和水解析氧双功能电催化性能；通过添加过渡金属，可进一步提升煤基碳材料的水解析氧电催化性能；利用煤炭本身作为碳源可直接生长碳纳米管形成的三维立体结构有助于电解质的扩散、活性位点的暴露和导电性的增加，从而提升双功能氧反应性能；与此同时，高分辨率扫描电化学显微镜的温度可控的分析系统被成功构筑，利用其对制备的电催化材料进行微区性能探究，发现电催化性能的良好表现与原煤中的微量元素种类息息相关；工作温度影响电催化氧反应性能。本项目研究结果为规模化制备高附加值的氧还原电催化材料奠定科学基础和提供非常温条件下的真实性能实验依据。