新颖2D纳米结构和3D多孔骨架材料的设计合成、界面调控及其在杂化可再生氢氧燃料电池系统中的应用

In view of current research status of electrocatalysts for fuel cells section and electrode materials for supercapacitors section in hybrid regenerative H2-O2 fuel cells system (HRHOFCSS), a series of ultrathin 2D nanostructures of non-layered compounds (including ternary thiospinels and metal phosphides) and their derived 3D porous framework materials as well as single-layer LDH nanosheet-bimetallic nanocrystals hybrids, will be designed and fabricated by developing some chemical routes to resolve their challenges on synthesis. Further plasma treatment will be used to modulate their interfacial compositions and microstructures. After that, their electrocatalytic and electrochemical energy storage performances will be systematically investigated with the dream to screen out several low-cost and high-efficient multifunctional electrocatalysts and electrode materials. Combined some spectra and electrochemical technologies with theoretical computations, the origin of the multifunctional catalytic activities and electrochemical energy storage mechanism of the screened materials will be further discussed. Provided that the above researches go smoothly, we will try to construct cheap and high-performance HRHOFCSS at small-scale.

针对杂化可再生氢氧燃料电池系统(HRHOFCSS)中电池部分电催化剂和超级电容器部分电极材料研究现状，拟发展一系列非层状化合物超薄2D纳米结构(涉及三元硫属尖晶石和金属磷化物)、单层LDH纳米片-双金属纳米晶杂化材料以及基于非层状化合物超薄2D纳米结构的3D多孔骨架材料，解决其合成挑战，并借助适当等离子体处理技术对其界面组成和结构进行调控，研究等离子体处理前后其电催化或储能性能的变化，以期筛选出几种低成本、高性能的多功能电催化剂和电极材料，并结合光谱、电化学技术和理论计算探讨其多功能催化活性起源和能量存储机制。在研究顺利的情况下，尝试组装和构建廉价、高效的小型HRHOFCSS系统。

为促进杂化可再生氢氧燃料电池系统(HRHOFCSS)的应用, 迫切需要发展低成本和高性能的多功能电催化剂和电极材料, 来解决RHOFCs部分电极缓慢的动力学过程和SCs部分低的能量密度问题。本项目基本按照研究计划执行, 主要开展了非层状三元硫属尖晶石、金属磷化物、LDH、Pd-基双金属合金2D纳米结构及相应纳米杂化体或由其衍生3D多孔骨架材料方面的工作, 取得了一些初步成果: (1)合成出了NiCo2S4、FeNi2S4、CuCo2S4、CoMo2S4等几种尖晶石硫化物超薄纳米片(NSs), 发现CuCoS4 NSs具有最佳的ORR和OER双功能催化性能; (2) 合成了几种新颖的介孔金属磷化物(如：CoP、NiCoP、CoFeP、CoMnP等)单晶矩形纳米片, 发现其可作为双功能催化剂用于全解水(OWS), 尤其可提高催化稳定性; (3) 合成了一系列TMPs@ PC/PG纳米杂化体(NHs), 实现了对其相调控, 发现CoP-Co2P@PC/PG和 (NixFe1-x)2P@PC/PG NHs具有优异的双功能电催化OWS性能; (4) 合成了几种2D 杂化NHs或由其衍生的3D多孔骨架电极材料(如：m-NiCoAl-LDH/NRG、富含氧缺陷的e-NiMnZn-LDH/Mo2CTx、3D多孔SnS/S-G杂化NSs建筑、垂直定向的CuSe@Ni(OH)2、CuSe@MnOOH和CuSe@ FeOOH杂化NSs骨架), 发现它们具有优异的储能性能, 并构建了高性能全固态对称和不对称型SCs；(5)合成了几种Pd-基双金属超薄NSs基多孔花状建筑或超结构(如：FLP-MnxPdy NSNAs、Pd-Cr FLSs、Pd-Mo FLSs、Pd-W FLSs), 发现Pd-W FLSs不仅有远超Pt/C的电催化ORR性能, 而且还有一定的OER活性; (6) 合成了一些M-N-C 2D纳米结构或相应多孔纳米建筑(如：Co@Co-N-C-A NHs、Cu-N-C-ICHP NDs、Cu,Co-N-C NSNAs), 发现它们具有优异的电催化ORR性能；(7) 在合成的一些金属氮化物基NHs中, 发现富含孪晶缺陷Ni3FeN/N-G NHs具有优异电催化OER性能, 而Ni-Co2N/Ni则具有优异的HER和OER双功能催化性能, 有望用于碱性水电解。