具有孔洞的低铂纳米催化剂的结构设计、合成与性能研究

How to reduce the amount and enhance the utilization of precious metal Pt while maintaining its high catalytic activity and long-term stability, is the key issue in catalysts design for fuel cells. This research project will focus on the challenging problems in the development of electrocatalysts for fuel cells. A series of highly active electrocatalysts with low Pt amount will be synthesized via colloidal chemical approach by which monodisperse and small sized nanoparticles can be prepared, realizing the controlled synthesis and enhanced performance of porous catalysts with different compositions and structures. Based on the different demand of target catalytic reactions, rational design of surface/interface and precise control of the composition, distribution and morphology of the nanomaterials will be carried out. At the same time, the evolution of surface and interface of the catalysts in the electrochemical environment is studied. Combined the theoretical calculation, the relationship of electrocatalytic activity and stability between the surface/interface structure will be established. Understanding the structure and property relationship will lead to better design of those new electrocatlysts with improved catalytic performance.

如何降低贵金属铂用量、提升贵金属利用率，同时维持高的催化剂活性和长的使用寿命一直是燃料电池中贵金属催化剂研制的核心问题。本项目围绕燃料电池电催化剂所面临的问题和挑战展开研究。基于胶体化学法制备小尺寸纳米晶的优势，拟实现不同组分和结构的具有孔洞的纳米催化剂的可控制备及催化性能的提升，获得一系列高效低铂的电催化剂材料。并基于不同的催化反应的认识和需求，以功能导向为原则展开合理的表面和界面结构设计，精确调控材料的组分、分布和形貌。同时，揭示纳米催化剂表面、界面在电化学环境下的演变，探索不同的表界面构型、表面组分与催化活性和稳定性之间的关系，并结合理论计算建立结构与催化性能之间的关系，从而实现结构设计和性能调控的统一，也为更好地设计具有高催化性能的新型纳米催化剂提供新的依据。

本项目旨在通过简单的溶液相合成法，以功能导向为原则进行合理的表界面结构设计，实现具有孔洞的不同组分和表界面结构的纳米催化剂的可控制备及性能提高，获得高效的催化剂。通过本项目的实施，取得了一系列研究成果：1.发展了富晶界缺陷的多孔编织型纳米线催化剂的制备方法，解决了催化剂在氧还原催化应用中的稳定性问题。2.发展了调控表面孔洞凹陷程度的简易胶体合成法，成功制备了低铂的铂铜六角星纳米晶。高密度低配位原子的表面结构赋予催化剂更多的活性位点和较高的电化学活性面积，提高了其对小分子甲醇氧化反应的质量活性。3.发展了在电化学环境中通过表面原子重排构筑一维中空铂银纳米管催化剂的新方法。4.设计针对对甲酸氧化反应和析氢反应的不同界面构型，并成功制备了多组分的蛋黄/壳结构和的多孔异质结构铂基催化剂。5.扩展了多孔催化剂在非水体系锂氧电池正极和CO2电还原方面的应用。综上，通过本项目的实施，我们发展了精准合成的简易方法，获得一系列表界面可控的高效多孔电催化剂，研究了不同的表界面、组分等对催化性能的影响。以上工作也为更好地设计具有高活性和更广泛应用的催化剂材料提供新的依据。