多金属空心球的电化学催化作用及金属间协同效应的研究

采用化学还原法在聚苯乙烯(PS)球上负载金属，然后通过有机物浸泡除去PS球制备空心球催化，作为醇电化学氧化反应催化剂。用含微量Au的Pd和Ni代替目前应用广泛的醇电化学氧化单元催化剂Pt作为碱性溶液中醇电化学氧化催化剂。并利用空心球中催化剂颗粒分散均匀和颗粒小的特点, 深入研究Au和Pd、Ni协同作用。从中揭示Au对催化剂材料的电化学性能的影响规律，开发一种应用广泛催化剂。本项目的完成对燃料电池、催化剂和纳米技术等学科的发展具有重要意义，为发展新型催化剂材料做出贡献。

本项目属于材料科学领域。电催化能源材料在清洁发电、新能源汽车、通讯和航天等国家重大需求中占有重要地位，影响到国家能源安全战略。本项目主要研究制备纳米电催化能源材料的制备过程以及形成特有功能的基础科学问题。使用了分散聚合法和乳液聚合法合成了聚苯乙烯球(PS)，在表面修饰上羟基等功能团，靠静电相互作用让金属离子附着在PS球表面。采用化学还原法在PS球表面负载上金属，再去除PS球制备金属空心球或用置换反应在非贵金属表面负载上一原子单层贵金属，作为直接醇类燃料电池阳极催化剂。取得主要成果如下：1）系统研究贵金属对不同醇的电化学氧化活性，发现了金对甘油(丙三醇)具有异常的电化学氧化活性，具有高活性和高抗毒能力特点。在金电极上，甘油具有比甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇和乙二醇等醇更高电化学氧化活性和稳定性。甘油在金电极上的催化活性和稳定性都高于在钯电极上。2) 在PS球表面负载上一层金，制备Au/PS核壳结构材料，然后通过四氢呋喃等有机物浸泡除去PS球制备Au空心球，作为甘油电化学氧化催化剂。利用空心球中催化剂颗粒分散均匀和颗粒小的特点, 获得了甘油高活性和高稳定性的电化学氧化催化剂Au空心球。试验结果表明Au空心球对甘油的电化学氧化的起峰电位比Au/C要负143 mV，显示了非常高的催化活性，同时计时电流试验结果表面Au空心球催化稳定性非常高。3) 在PS球上负载Ni，然后通过置换反应负载上一原子单层Au，作为甘油电化学氧化催化剂。用含微量Au的Ni代替目前应用广泛的Pt和Pd作为碱性溶液中醇电化学氧化催化剂,利用Au和Ni 协同作用大大提高催化剂活性，同时Au载量非常低，这样可开发一种应用广泛高活性低贵金属载量低成本的催化剂。4)用Stöber方法制备间苯二酚-甲醛聚合物球，再通过碳化聚合物球制得碳球。通过混酸表面处理碳球让其表面修饰上羟基等功能团，负载上金纳米颗粒，作为甘油电化学氧化催化剂。本方法制备的碳球具有粒径均一、球形好以及粒径可以控制在纳米级等优点。金纳米颗粒非常均匀分布在碳球表面，基本没有团聚，可以充分利用金颗粒分散均匀以及碳球之间形成的三维结构等优点，获得高活性催化剂。本项目的完成对燃料电池、催化剂和纳米技术等学科的发展具有重要意义，为发展新型催化剂材料做出贡献，为纳米能源材料的设计和应用提供了理论基础。