Pt基催化剂的精细调控及其电催化性能的红外光谱研究

Pt-based catalysts are an essential part of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), but their high price and low anti-poisoning ability strongly hindered the commercial application. Controlling the surface composition and enhancing the stability of Pt-based catalysts are the vital scientific problems. In this project, based on the “thermal treatment method” and “adsorbate induced method” developed by our research team previously, we managed to change the surface segregation energies and behaviors of any element in Pt-based bimetallic (PtM) catalysts by regulating the thermal treatment conditions during the synthesis of catalysts. By combining in-situ XRD (at both high and low temperatures), Cs-corrected TEM and electrochemical molecular probes, we can systemically explore and summarize the segregation law in Pt-based binary alloys, ensuring that PtM model catalysts with well-defined surface composition and structure can be finely prepared. On this basis, traditional electrochemical measurement and electrochemical in-situ FTIRs will be used to research the kinetics of hydrogen oxidation reaction (HOR)produced from industrial reforming gas and oxygen reduction reaction (ORR)and, to discover the dynamic feature and deactivation mechanism of catalysts by monitoring the absorption, bonding and desorption behaviors of M-CO, M-O and M-C on the catalyst surface. This project may provide some guidelines for rational design and precise preparation of bimetallic catalysts.

铂基催化剂是质子交换膜燃料电池的关键组成部分，其价格贵，使用过程中易毒化是阻碍燃料电池商业化的瓶颈，调控铂基催化剂的表面组成和提高其稳定性是关键科学问题之一。本项目在已发展的控制热处理程序法和吸附物诱导法的基础上，通过严格控制负载型催化剂在制备过程中的热处理条件，改变双金属中某一特定金属的表面偏析能，有选择性地控制铂基二元催化剂在加热退火过程中的表面组成，结合高低温原位XRD、球差校正透射电镜和电化学分子探针精确分析材料的组成，阐明合成条件对铂基二元催化剂组成的影响，揭示偏析的规律性并制备具有明确表面组成的PtM模型催化剂。在此基础上，运用电化学测试和电化学原位红外光谱等技术，通过跟踪反应过程中金属-CO，金属-O和金属-C的吸附、成键和解离，系统研究重整氢氢氧化和氧还原反应的动力学过程，揭示催化剂的动态变化规律和活性衰减机制，为负载型双金属催化剂的精准构筑和调控提供理论依据和指导。

铂基催化剂是质子交换膜燃料电池的关键组成部分。而铂的价格昂贵、资源稀缺、易毒化的问题严重阻碍了商业化应用。本项目紧紧围绕燃料电池阴极和阳极电催化剂结构稳定性调控方法，主要研究内容分四个方面：通过改变反应气氛和热处理温度来调控铂基双金属中的单个金属表面偏析能，精确调控Pt基二元催化剂的表面组成，合成出PtRu、PtAu、PtZn等表面组成确定的PtM电催化剂，对特定的电催化体系表现出优良的性能；结合高低温原位XRD﹑高低温原位TEM﹑电化学分子探针等新方法和新技术，从源头上揭示PtM二元合金催化剂表面组成调控机制以及非贵金属氧还原电催化剂活性位形成机制；在此基础上，通过结合电催化反应动态过程研究和先进的谱学表征与理论计算，从纳米/分子/原子层次深刻揭示催化剂反应机制，开展碱性氢析出反应研究，发现了碱性介质中氢析出反应与氢氧化反应的不对称性，并开发了界面水结构作为氢析出反应活性的新描述符的研究；提出了复合活性位和弯曲碳层促进ORR性能的作用机制，便于指导催化剂的精准构筑和调控；建立了温度可控的电化学原位红外光谱检测，开展了不同温度下有机小分子反应过程的分子水平研究，实现燃料电池工作温度下的原位表征，为燃料电池工况原位研究提供条件。