溶剂诱导下的石墨烯负载金属纳米催化剂生长机制的理论研究和实验验证

Metal catalysts supported on graphene sheets have shown significantly enhanced electro-catalytic activity and stability than those on other carbon supports, which hold great potential for applications in fuel cells. However, it’s still challenging to prepare graphene supported metal catalysts in solvent because graphene sheets are easy to agglomerate in most solvents. In order to understand the solvent induced growth mechanism of metal catalysts supported on graphene, this work proposes to investigate the influence of solvent on the synthesis of metal nanoparticles supported on graphene. The proposal aims to : 1) investigate the weak interaction between the solvent molecules and graphene using Density Functional Theory method with dispersion correction; 2) investigate the influence of solvent molecules on the weak interaction between graphene and metal precursor; 3) prepare metal nanoparticles supported on graphene with the solvents based on the theoretical work and investigate the electro-catalytic performance towards methanol or formic acid oxidation reaction. The proposed studies will not only provide fundamental understanding of the growth mechanism of graphene supported metal nanoparticles, but also open up exciting opportunities to design more effective electro-catalysts.

石墨烯作为金属电催化剂的载体可以有效提高催化剂的活性和稳定性，在燃料电池等领域具有广阔的应用前景。但是由于石墨烯在大多数溶剂中不易分散，以及缺乏金属纳米颗粒的附着位点，石墨烯负载金属催化剂在液相中的可控制备还存在许多挑战。为深入了解溶剂诱导下的石墨烯负载金属纳米颗粒的生长机制，申请人拟通过理论计算与实验验证，采用色散校正的密度泛函计算方法，从分子层面研究石墨烯与多种溶剂分子之间的弱相互作用，以及溶剂分子对石墨烯与金属前驱体之间弱相互作用的影响；在理论研究基础上优选溶剂作为介质制备石墨烯负载金属纳米催化剂，分析溶剂对金属纳米颗粒形貌和电催化性能的影响，对理论研究结果进行实验验证及模型修正。该研究将有助于指导液相中石墨烯负载金属催化剂的制备，为设计和制备高效稳定的电化学催化剂提供理论依据和实验指导。

针对石墨烯负载金属纳米催化剂制备过程中，由于石墨烯不易分散导致催化剂可控制备困难的问题，申请人遵循“石墨烯与溶剂分子的弱相互作用—石墨烯的分散—催化剂的制备及性能”的研究思路，采用理论计算和实验研究相结合的研究方法，通过分析石墨烯与溶剂分子之间的弱相互作用，解析溶剂对石墨烯分散的影响机制，分析石墨烯的分散对负载金属纳米颗粒微观形貌及电催化性能的调控作用，厘清了溶剂效应对催化剂电催化性能的影响规律。取得如下主要结果：.（1）通过密度泛函计算方法，分析溶剂对石墨烯分散的影响与机制，发现石墨烯与溶剂分子之间的弱相互作用对石墨烯在溶剂中的分散有重要影响，二者之间的结合能与石墨烯的分散浓度呈现良好的正相关关系；.（2）通过理论计算与实验研究相结合，解析石墨烯的分散对石墨烯负载金属纳米颗粒催化性能的调控，发现石墨烯与溶剂分子之间结合能的增大会导致负载金属纳米颗粒粒径减小，增加催化活性位点，有利于电催化活性的提升。但结合能过大会导致溶剂难以去除，不利于催化剂的制备，因此需综合考虑；.（3）在此基础上进一步研究了碳纳米管和二硫化钼等低维材料负载金属催化剂，通过构筑原子团簇模型，可以快速有效的考察低维材料负载金属催化剂对析氢、氧还原等反应的催化活性，同时可以实现对载体效应的考察，为进一步理解催化机理提供了简洁有效的新模型。.项目执行期间共发表SCI论文8篇，培养研究生6人，参加国际及国内学术会议3次，项目负责人获得2018年度中国能源研究会能源创新二等奖。