杂多酸-石墨烯-钯合金电催化体系的构建及其在直接醇类燃料电池中的电催化性能研究

Energy crisis is one of the key problems the society encounters today. Developing novel energy with high efficiency and cleanness is an important route for solving the challenge. In order to overcome the existing problems in anode catalyst for direct alcohol fuel cell, we intend to design a novel hybrid nanomaterial system involving Keggin type heteropolyacid, nitrogen-doped graphene and palladium alloy nanostructure (focusing on palladium-gold, palladium-silver, and palladium-iron) and investigate its electro-oxidation behavior towards organic molecules. The system is hopeful to solve the possible shortcomings in the sole active component and achieve the synergistic enhancing effect. The project will focus on the controlled assembly of heteropolyacid, palladium alloy and nitrogen-doped graphene, and the preparation of palladium alloy nanomaterials with novel structure. We will analyze the effects of the different factors such as component ratio on the electrocatalytic property, summarize the preparation and assembly rule of different series of hybrid material, construct the corresponding catalyst system, discuss the catalysis mechanism, and point out the effective anode catalyst material for direct alcohol fuel cell.

能源危机是当今社会面临的重大问题之一，开发新型高效清洁能源是解决能源危机的一个重要途径。为克服直接醇类燃料电池阳极催化剂存在的问题，本申请项目拟将高反应活性的Keggin型杂多酸与氮掺杂石墨烯、钯合金纳米材料（重点研究钯金、钯银、钯铁）组装构筑复合纳米材料催化体系，进行电催化氧化有机小分子研究，有望解决单一活性组分可能存在的不足，实现协同增强作用。着重研究杂多酸、钯合金与氮掺杂石墨烯的可控组装，制备具有新颖结构的钯合金纳米材料，系统分析组分配比等对产物电催化性能的影响，总结不同系列复合材料的制备与组装规律，从而建立相应催化体系，进行机理研究，开发出有效的直接醇类燃料电池阳极催化剂材料。

直接醇类燃料电池(DAFC)是一类直接将化学能转化为电能的装置。随着能源危机及环境污染问题日趋严重，直接醇类燃料电池由于高效、清洁等优点引发人们关注。而目前直接醇类燃料电池阳极催化剂存在一些关键问题需要克服，如需降低催化剂成本、提高催化剂性能等。本项目针对这些关键问题，旨在发展具有质量催化活性高、成本低、稳定性好等优秀性能的电催化剂。通过简单的化学液相法设计制备多种钯基催化剂，对制备条件进行优化，调节组分比，获得电催化性能较好的电催化剂；利用杂多酸辅助光还原法得到杂多酸协同的石墨烯-钯电催化剂，考察多种反应条件对电化学性能的影响；将杂多酸进一步与含氮石墨烯-钯合金复合，获得杂多酸-石墨烯-钯合金新型电催化剂，研究杂多酸对电催化剂形貌及组成的影响，使用循环伏安法、计时电流法等电化学测试方法系统研究不同复合材料对甲醇等有机小分子的电催化氧化性质，筛选具有高质量活性等较好性能的催化剂。通过协同增强作用实现对单一组分催化性能的改善，有效降低成本，提高钯的利用率。本项目对发展杂多酸协同的直接醇类燃料电池电催化剂进行了有益探索，为新型电催化剂材料的设计提供思路及参考。