高性能钯铁基燃料电池催化剂的结构及催化机理研究

It is still a hot and important topic in minimizing the usage of noble metals, improving their catalytic performance and stability and the performance of fuel cell. Due to possessing the effects of scale, interface and confinement, novel supported Pd-Fe-based catalysts are designed in this work and expected to exhibit excellent performance. Therefore, combined with several characterization results, computer simulation and single battery test system, the synthetic principles and structure-activity of Pd-Fe-based catalysts will be explored, using the formic acid oxidation as a model reaction. The following works mainly include the effect of composition and nanostructure on their catalytic performance. The works can also provide clues for synthesizing other bimetallic catalysts with high catalytic performance. In a word, the proposed idea for designing catalyst is novel and the scientific principles explored will bring benefit to heterogeneous catalysis in theory.

降低贵金属用量，提高其催化反应的活性及稳定性，单电池性能是目前重要的研究方向之一。本项目基于双金属纳米粒子尺度效应、界面效应、限域效应等，设计开发负载型的Pd-Fe基高性能的燃料电池催化剂。本项目以直接甲酸燃料电池为研究体系，结合多种表征手段、计算机模拟技术和单电池测试系统，研究高性能的Pd-Fe基催化剂的合成规律及其构效关系，包括催化剂的组成以及纳米结构对催化性能的影响规律等，为高性能的双金属催化剂的制备技术提供理论基础。本项目提出了新的催化剂设计思路，并探索其内在科学原理，具有创新性、实用性和学术价值。

直接甲酸燃料电池是一种清洁高效、绿色环保的新能源代表。然而，其催化剂多以价格昂贵、资源稀缺的贵金属铂为主要活性组分，且易失活，这是直接甲酸燃料电池走向大规模商业化应用的严峻考验。那么提高铂的催化效率、延长寿命，或者用一种低成本的贵金属来取代铂，均可降低铂的使用量或提高铂的利用率。本项目研究主要贡献如下：.一、设计、合成Aucore@Ptcluster纳米催化剂，研究其结构与催化性能之间的关系.基于单层薄膜保护（MPC）法制备Pt-Au合金纳米粒子的基础上，开发了一种新的晶种生长方法制备高单分散性的金/铂的核/壳纳米粒子。它是在纳米尺度上对纳米粒子的进一步设计和剪裁，通过核金属与壳金属之间电子结构的互动调变，使新的粒子属性产生质变，表现出独特的催化性能。.二、表层含铂的Pt-Pd/C纳米催化剂的结构设计及其催化性能研究..表层含铂内核非铂的核壳结构催化剂是实现（超）低铂燃料电池催化剂的一种理想解决方案。基于电化学置换原理方便可控地获得Pd-Pt/C核壳结构催化剂，以氧还原反应为探针，实现其核、壳层具有催化脱氢的双活性中心设计。.三、研究热处理对Pd修饰Fe/C催化剂催化性能的影响.由于Pd与Fe之间晶格参数的不匹配、原子大小的差异、热处理气氛及温度的诱导效应，在催化剂的热处理过程往往会引起催化剂的相变、表面结构重组等变化。这种重构往往是由于表面较高的表面能，在吸附物的诱导下发生重构。.四、设计、合成超低铂的新型三元金属催化剂，研究结构与ORR性能的关系.两种金属物种承载超低铂的新型催化剂。首先制备出载体负载单分散双金属纳米晶的“基底”PdAu/C(（Pt前驱体的还原电势力高于二者)，然后对“基底”进行可控的热处理过程， 最后通过“基底”与溶液中Pt前驱体离子进行自发置换反应，定向地取代原先“基底”中较低还原电位的金属原子，实现壳层Pt的横向沉积。