基于置换反应制备铂基合金纳米树突/石墨烯复合材料及其电催化甲醇氧化性能研究

Direct methanol fuel cell (DMFC) is an ideal power source of portable electronics and light-duty electric vehicles due to its high-energy density, simple structure, easy storage of the fuel, and working at room temperature. However, the low activity and the high cost of anode catalyst have limited its commercialization. Focusing at this problem and according to our previous work, a tentative plan, synthesis of Pt-based nanodendrite catalysts with high activity using galvanic replacement reaction, is proposed in this project. The Pt-based nanodendrite catalysts are prepared by synthesizing active metal nanoparticles firstly, followed by adding precursor of Pt to react with the nanoparticles via galvanic replacement reaction. The influence of affecting factors, including precursors of active metal and Pt, capping agents and reaction condition, on the formation of nanodendrite catalysts will be studied. The formation mechanism of nanodendrites will also be disclosed. Then, graphene will be employed as support to further increase the activity of the catalysts. The structure and the catalytic properties of the catalysts will be systematically characterized. The inner link between microstructure and catalytic performance of catalysts will be further studied. The preparation process will be optimized according to the experiment results and the key techniques of preparation of nanodendrite catalysts will be obtained. This project will provide theoretical support and technical guidance for the commercialization of DMFC.

直接甲醇燃料电池具有能量密度大、结构简单、燃料易储存、可常温工作等特点，使其成为便携式电子产品和轻型电动车的理想电源。然而，阳极催化剂较低的催化活性和较高的成本限制了其商业化应用。针对此问题并结合已有工作基础，本项目提出利用置换反应法制备高活性铂基合金纳米树突催化剂的研究设想。首先制备较为活泼金属的纳米颗粒，再将铂的前驱物加入进行置换，从而制备铂基合金纳米树突催化剂。系统研究前驱物、盖帽剂和反应条件对形成纳米树突催化剂的影响，探索纳米树突催化剂的形成机理。在此基础上，选用石墨烯为载体，进一步提高催化剂的性能。对所制备催化剂进行系统的结构和催化性能表征，研究微观结构与催化性能之间的内在联系，根据实验结果对材料制备工艺进行科学优化，最终获得纳米树突催化剂的关键制备技术。本项目将为直接甲醇燃料电池的商业化应用提供理论支持和技术指导。

直接甲醇燃料电池具有能量密度大、结构简单、燃料易储存、可常温工作等特点，使其成为便携式电子产品和轻型电动车的理想电源。然而，阳极催化剂较低的催化活性和较高的成本限制了其商业化应用。针对此问题，本项目提出利用置换反应制备高活性铂基合金纳米树突催化剂的研究设想。首先制备较为活泼金属的纳米颗粒，再将铂的前驱物加入进行置换，从而制备铂基合金纳米树突催化剂。系统研究了前驱物、盖帽剂和反应条件对形成纳米树突催化剂的影响，探索了纳米树突催化剂的形成机理。并选用石墨烯为载体，进一步提高催化剂的性能。对所制备催化剂进行了系统的结构和催化性能表征，根据实验结果对材料制备工艺进行了优化，最终获得了纳米树突催化剂的关键制备技术。目前已制备出PtNi、PtRu、PtAu、PtCo、PtCu树突状催化剂。研究发现以镍纳米球为模板可以制备出形貌最为规整的树突状铂基合金催化剂。研究发现水合肼和硼氢化钠比较适合作为还原剂来制备活泼金属纳米颗粒。我们认为先制备树突状催化剂，再与石墨烯分散液混合的办法是比较简单且合理的实现催化剂颗粒和石墨烯复合的办法。项目所开发的一种兼具空心结构和树突结构的PtNi催化剂，其活性和稳定性远优于商业PtRu/C催化剂。项目所开发的Ag纳米线-Pt纳米线核壳结构催化剂由于其独特的结构不但实现了一维铂纳米线的高度分散，还使催化剂具有了一维结构催化剂的稳定性；电化学测试表明该催化剂的活性和稳定性都远优于商业铂黑催化剂。同时，利用置换反应还开发了PtCo、PtNi纳米空心球和PtAg、PtNi、PtFe纳米管催化剂。本项目将为直接甲醇燃料电池的商业化应用提供理论支持和技术指导。