Pt-M（Cu/Co/Ni/Fe）特定形貌纳米晶的可控合成及电催化性能研究

In the present，the deterioration in the current energy crisis and environment promotes unceasingly. Fuel cells have high application value and development potential, due to its low environmental pollution, wide range of fuels, high energy conversion efficiency, fast response and high load operation. So far, Pt is still the most efficient catalyst among all the catalysts used in the present fuel cells. However, Pt is a rare metal and the reserve is very limited on the earth. So that, the high cost of Pt catalyst restricts the rapid development of fuel cells. This project aims to explore and synthesis Pt-M（Cu/Co/Ni/Fe） catalysts with high performance. On the one hand, alloy catalysts, due to the addition of other components, especially adding transition metals, can not only greatly reduce the amount of Pt and save cost, but also improve the catalytic performance. On the other hand, at the microscopic scale, the size effect and surface effect of different crystal faces are very significant and the catalytic performance is affected by their microstructures. It is possible to explore the influence on the fuel oxidation process through the controllable synthesis of Pt-based alloys, with special morphologies, sizes, crystal faces and surface defects, so as to realize the controllable synthesis of catalysts with high catalytic activity and stability.

在当前能源危机和环境恶化不断升级的情况下，燃料电池因其环境污染小、燃料范围广、能量转化效率高、负荷响应快、运行质量高等特点，具有广阔的应用价值和发展潜力。迄今为止，燃料电池使用的各类催化剂中催化效率最高的依然是金属铂。但是，铂属于稀有金属，地球上的储量非常有限，使得铂催化剂成本高昂，限制了燃料电池的快速发展。本项目旨在探索合成性能优异的Pt-M（Cu/Co/Ni/Fe）纳米晶催化剂。一方面，合金催化剂由于加入其它金属组分，特别是加入廉价的过渡金属，不仅可以大大降低贵金属铂的用量而节约成本，而且能够改善催化剂的催化性能；另一方面，在微观尺度下，不同晶面的表面效应和纳米材料的尺寸效应十分显著，催化剂的性能与其微观结构有着密切的联系，因此可通过对铂基合金纳米晶的形貌、尺寸、晶面、缺陷等微观结构的控制合成，探讨其对燃料氧化过程的影响，从而实现有针对性地合成高催化活性和稳定性的铂基合金纳米晶催化剂。

在当前能源危机和环境恶化不断升级的情况下，直接甲醇燃料电池具有能量转化效率高、燃料适用范围广、积木化强、负荷响应快、运行质量高、无机械振动、有害气体及噪音排放低，并且二氧化碳排放因能量转换效率高而大幅度降低等特点，成为解决能源危机与环境恶化的强有力武器。但是甲醇氧化速率非常缓慢，通常需要活性高的电催化剂来加速燃料的氧化过程。迄今为止，最理想的阳极催化剂依然是贵金属铂。但是，贵金属铂属于稀缺资源，价格高昂。并且，甲醇氧化的中间产物一氧化碳在催化剂表面具有较强的吸附性，从而大大减少了催化剂的活性点位，降低了催化剂的活性。因此，降低催化剂成本、提高催化剂的活性与稳定性成为促进直接甲醇燃料电池广泛应用要解决的关键问题之一。本项目通过调控合成条件实现对其结构、形貌、组成、尺寸等微观结构的精确控制，从而实现催化剂活性与稳定性的大幅改善。. 经过近三年的研究，课题组顺利完成了研究内容，达到了预期研究目标，并且研究领域还得到了进一步的扩展。目前，课题组取得的学术成果如下：（1）合成了Pt-Cu骨架结构、Pt-Co花状结构、Pt-Cu纳米线、Pd-Pt核壳结构，并研究了反应物的浓度、反应温度、反应时间等对产物形貌的影响，确定了最佳形貌的形成条件。(2) 结合透射电镜、红外光谱、光电子能谱等测试手段，研究了产物的形成机理。(3) 研究了产物催化甲醇或者甲酸氧化的能力，探讨了产物形貌对其催化能力的影响。