碱性体系非贵金属三元合金H2氧化电催化剂研究

基本信息
批准号:21902120
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:25.00
负责人:王功伟
学科分类:
依托单位:武汉大学
批准年份:2019
结题年份:2022
起止时间:2020-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:
关键词:
碱性聚电解质燃料电池三元合金磁控溅射氢氧化催化剂构效关系
结项摘要

Alkaline polymer electrolyte fuel cells (APEFCs) have gained increasing attention in recent years due to their potential for resorting to non-precious electrocatalysts. However, the APEFCs using non-precious electrocatalysts at both anode and cathode sides are still rarely reported, which is mainly hindered by the lack of high-performance non-precious electrocatalysts for the anode hydrogen oxidation reaction (HOR). Ternary alloy catalysts have recently been shown to be compelling systems for improving the HOR performance. While the study of ternary alloy HOR catalysts remains scare due to the experimental difficulties involved in examining a wide composition range and the complexity of analyzing the contribution of each component. Here we propose a systematic study of ternary alloy HOR catalysts on planar model electrodes to establish the “composition – performance (including electrocatalytic activity and anti-oxidation property)” relationship. A series of ternary alloy planar model electrodes with various compositions are going to be high-throughput prepared by combinational magnetron co-sputtering deposition and then efficiently evaluated by home-designed HOR performance testing devices and processes. Density functional theory (DFT) calculations and molecular dynamics (MD) simulations will be applied to assess the adsorption energies of possible intermediates (Had and OHad) and the microscopic hydrophobicity of electrode surface, respectively. The HOR mechanism on ternary alloys, namely “electronic effect” and “synergistic effect”, can be clarified with combined experimental and computational studies. Moreover, the theoretical basis for enhancing the anti-oxidation property of ternary alloy catalysts will be explored through the analysis of band structure. Then the ternary alloy nanocatalyst with optimized composition will be controllably synthesized and applied to construct APEFCs without using any precious metal catalysts. This study is not only of fundamental scientific significance, but also of vital importance to the development and practical application of APEFCs with low cost and high performance.

碱性聚电解质燃料电池(APEFCs)有望使用全非贵金属催化剂,近年来备受关注。目前高性能阳极氢氧化反应(HOR)催化剂的缺乏严重阻碍了APEFCs的发展。已有研究表明非贵三元合金具有大幅提升HOR活性的潜力。但因其成分组合的多样性和体系的复杂性,这方面研究相当匮乏。本项目拟利用组合共磁控溅射批量制备三元合金平面模型电极,发展高效的HOR性能评估方法,系统研究三元合金的“组分-性能(活性和抗氧化性)”构效关系。结合密度泛函理论计算表面可能中间物种(Had和OHad)的吸附能,利用分子动力学模拟等研究表面微观亲疏水性,揭示三元合金表面“电子效应”和“协同效应”的影响。同时对能带结构进行分析,探究增强催化剂抗氧化性的理论基础。最后可控合成出优选组分的三元合金纳米粉体催化剂,并用于全非贵金属APEFCs的构建。本项目不仅具有基础科学意义,亦具有促进廉价高效APEFCs商品化的实用价值。

项目摘要

开发高效的阳极氢氧化反应(HOR)非贵金属催化剂是碱性膜燃料电池(APEFCs)发展亟需解决的瓶颈问题之一。当前碱性HOR非贵金属催化剂研究相对较少,缺乏明确的催化剂设计思路。本项目尝试了采用磁控共溅射方法批量制备不同组分的Ni基合金催化剂,并发展催化性能的快速测试评估方法,以实现碱性HOR催化剂的高效筛选、并明晰HOR催化剂的设计原则;同时尝试采用液相共还原、高温热解碳化等方法制备Ni基纳米粉体催化剂,进行非贵金属阳极APEFCs的装配测试。研究取得的重要结果包括:(1)建立起磁控共溅射批量制备多组分合金材料方法,能够拓展到其它研究体系中应用;(2)发现HOR和氢析出反应(HER)影响因素存在差异,有助于明晰碱性HOR机理、并指导高效HOR催化剂的设计;(3)利用热处理气氛调控碳包覆Ni核催化剂的表面状态,大幅提升HOR催化性能,实现了非贵金属阳极APEFCs性能和稳定性的突破;(4)拓展了锂-芳香化合物超强还原剂在负载型催化剂制备和化学预锂化两方面的应用。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

三级硅基填料的构筑及其对牙科复合树脂性能的影响

三级硅基填料的构筑及其对牙科复合树脂性能的影响

DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20200093
发表时间:2020
2

2A66铝锂合金板材各向异性研究

2A66铝锂合金板材各向异性研究

DOI:
发表时间:2017
3

固溶时效深冷复合处理对ZCuAl_(10)Fe_3Mn_2合金微观组织和热疲劳性能的影响

固溶时效深冷复合处理对ZCuAl_(10)Fe_3Mn_2合金微观组织和热疲劳性能的影响

DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001042
发表时间:2019
4

基于关系对齐的汉语虚词抽象语义表示与分析

基于关系对齐的汉语虚词抽象语义表示与分析

DOI:
发表时间:2020
5

基于相似日理论和CSO-WGPR的短期光伏发电功率预测

基于相似日理论和CSO-WGPR的短期光伏发电功率预测

DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20201778
发表时间:2021

王功伟的其他基金

相似国自然基金

1

碱性氢氧化反应非铂催化剂研究

批准号:21905213
批准年份:2019
负责人:曾黎明
学科分类:B0905
资助金额:26.00
项目类别:青年科学基金项目
2

基于非贵金属催化剂、无氧化还原电对的Z-scheme光解水体系的构建及反应机理研究

批准号:21603046
批准年份:2016
负责人:那永
学科分类:B0202
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
3

非贵金属催化剂低温/室温催化氧化甲醛研究

批准号:21577159
批准年份:2015
负责人:张长斌
学科分类:B0603
资助金额:70.00
项目类别:面上项目
4

混合绿色溶剂/非贵金属催化剂体系中木质素及其模型化合物催化氧化反应研究

批准号:21603236
批准年份:2016
负责人:张展荣
学科分类:B0202
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目