Pt-WC/石墨烯三元晶态复合体可控制备及电催化甲醇氧化反应机制

石墨烯具有独特的结构和优异电子输运特性，是燃料电池Pt催化剂优良的载体材料，碳化钨（WC）具有卓越的抗CO中毒能力，是良好的助催化材料。本项研究以提高Pt颗粒催化活性和利用效率为功能导向，拟设计合成高电催化活性的Pt-WC/石墨烯三元晶态复合体。首先在原位自生模板法制备的导电性好的石墨烯表面担载小尺寸、高分散的WC颗粒，进一步通过控制定域生长等方法，使Pt纳米颗粒在WC/石墨烯复合体表面可控生长。借助TEM、EIS、导电AFM等方法明晰复合体结构、电子输运性质等特征。以循环伏安等电化学方法研究材料对甲醇氧化反应的电催化性能。通过理论模拟方法，分析CO、甲醇等分子在催化剂表面吸附的活性位和键合作用以及催化反应中的吸附-解离/反应-脱附过程的热、动力学问题。理论计算结合实验表征阐明催化反应机理和抗中毒机制，并深入剖析材料的结构与电子输运性能和电催化性能间的关系，以推动其在燃料电池领域的应用。

本项研究以提高贵金属颗粒催化活性和利用效率为导向，设计合成高电催化活性的金属-碳化物/碳三元晶态复合体。经过三年研究工作的开展，我们顺利的完成了项目拟定的研究内容和目标。利用原位自生模板法制备的石墨烯为载体，发展了碳化物在碳载体上的限阈生长方法，获得了尺寸小，与碳载体接触良好的碳化物/碳载体材料。并基于基团相互作用原理，发展了原位同步路线合成碳化物/碳复合载体的方法。同时，基于过渡金属氮化物和碳化物结构的相似性，本项研究还发展了氮化物/碳复合体的制备方法，使得小尺寸的氮化物 （WN，VN）与石墨碳成功复合。尤其是发展了以多酸簇为母体制备小尺寸、高分散的WN （2-3 nm）的方法。在使小尺寸碳(氮)化物与碳载体有效复合基础上，探索了其与贵金属的协同催化作用，显著降低贵金属用量的同时提高了抗CO毒化能力和燃料电池的综合性能。还开发了性能优异的低Pt负载量、非贵金属乃至非金属氧还原催化剂。结合理论计算和同步辐射实验方法探讨了材料的形成和性能增强机制。在本项目支持下，共发表SCI收录的论文70余篇，论文成果论文成果被SCI收录国际期刊引用700多次。有4篇文章入选ESI数据库高被引用论文。项目执行期间，共17项发明专利被授权。培养博士研究生6名，硕士研究生20名，4名青年教师晋升为教授。获得省自然科学奖一等奖一项 （主持人）。