单原子层壳层核壳结构低铂纳米催化剂批量制造的化工基础研究

Realizing core-shell structured nano catalyst with atomic monolayer shell will enhance the utilization of platinum significantly, resulting to the sharp decrease in both using amount of platinum and the cost of fuel cell, it is recognized as an effective ways to resolve the neck problems hindered the development of commercialization of fuel cells. There are a few of reports for the preparation of the core-shell structured catalysts at minigram level in laboratory, however, it is still a challenge to manufacture this kind of catalyst in bulk, with low cost, uniform and repeatable. In this project, we will explore the bulk manufacture of the core-shell catalyst with the underpotential deposition technique, including the design of manufacture apparatus, and the investigation for the effects of preparation conditions on the structure and performance of the catalyst. The achievements of these investigations will provide scientific supporting and theoretical base for the design of apparatus of bulk manufacture and the determination of technological parameters. We will investigate the formation mechanism of shell layer, the interaction of shell layer atoms with core nanoparticle, to reveal the general law and mechanism of core-shell structured nano catalyst with atomic mono layer. The works of this project will be helpful to the realization of the bulk manufacture of the core-shell catalyst with monolayer shell, and will be improvable to the breakthrough for resolving the neck problems of fuel cells, and will be meaningful for the understanding of the interaction of shell atoms with core and their mechanism.

单原子层壳层核壳结构纳米低铂催化剂可以大幅度提高铂的利用率，从而实现大幅度降低燃料电池的铂用量和成本，制造和使用单原子层壳层核壳结构催化剂是解决燃料电池大规模商业化的瓶颈问题的重要途径。虽然实验室微量制备已有成熟方案，然而实现单原子壳层核壳结构低铂催化剂的低成本、高度一致、可重复的克级批量制造尚存在许多挑战性难题。本项目拟通过对制造设备的设计研究、工艺条件的研究、核的组成及形貌的影响研究、以及工艺条件对于催化剂性能的影响等相关基础科学问题的研究，为批量制备单原子壳层核壳结构催化剂的设备设计和工艺制定提供科学依据和理论基础。通过对核壳结构催化剂壳层形成机理、壳层原子与核相互作用的研究，揭示单原子层壳层核壳结构催化剂形成的基本规律及机理。本项目成果对于实现核壳结构低铂催化剂的批量制造、促进燃料电池技术瓶颈问题的突破，对于认识单原子核壳结构形成规律及其壳层与核作用机理具有重要意义。

单原子壳层核壳结构催化剂可将单位质量铂的活性提升4-10倍，是一类具有极其重要的应用前景的低铂催化剂，其成功应用将极大地促进燃料电池的商业化进程。然而，由于涉及复杂的电沉积过程，使得这类催化剂的放大制备变得非常困难； 国内外多家单位在放大制备方面做过许多尝试，但是，到目前为止，尚无非常成功的研究报道。因此，从化工的层面对于这类催化剂的放大制备进行研究，对于解决这些问题具有十分重要的意义。.本项目的主要研究内容包括：（1）反应器的设计及其性能研究；（2）介质、添加剂、表面活性剂的影响研究；（3）作为核的纳米粒子的影响研究；（4）电沉积模式及条件的影响研究；（5）新型核壳结构催化剂体系的研究；（6）新型电沉积技术的探索研究。.本项目取得的重要成果包括：.1..本项目创新地设计了两种放大制备的装置：（1）具有特殊结构的槽式电沉积制备装置，该装置能够很好地解决惰性气体保护，搅拌、电沉积均匀性等问题；制得的催化剂具有核壳结构特征，且具有良好的催化活性；（2）针对槽式电沉积装置存在电极距离过大、核壳结构催化剂均匀性欠佳等问题，我们设计了一种阴极和阳极之间的距离小于10mm的“微通道式”电沉积装置；采用泵体实现了倍沉积物料在微通道中的可控流动，采用该装置制得的催化剂的性能得到了显著的提升；.2..工艺条件研究：系统地研究溶剂、添加剂、表面活性剂等对于制备催化剂的性能的影响；得到了优化的制备条件；.3..首次提出和尝试了在燃料电池膜电极上原位沉积制备具有核壳结构催化剂，取得了良好的结果，为低铂、高效催化剂和膜电极的制备提供了新的思路和途径。.4..首次提出和实现了采用氮化物纳米粒子为核制备核壳结构催化剂，其性能可完全媲美采用贵金属纳米粒子作为核制得的催化剂；而成本则比后者大幅度下降；.5..提出了制备核壳结构催化剂的新型“脉冲电沉积”技术。