基于氧化钽铌-石墨烯负载Au纳米粒子电极材料的设计合成及在直接醇类燃料电池中的应用

In this project, gold nanoparticles loading tantalum/ niobium oxide and graphene electrocatalysts Aux/M2O5-GN (M-Ta, Nb) will be synthesized with refluxing reduction, hydrothermal reduction and microwave heating reduction methods. The electrocatalysts will be used as an alternative to Pt-based anode catalysts for the oxidation of methanol and ethanol in direct alcohol fuel cells (DAFCs). The crystal phase, comprise, morphology, size, surface structure, microstructure, and electrochemical activity are characterized with X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transmission electron microscope (TEM), scanning probe microscope (CSPM), cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). In addition, the molecular modeling is calculated using density functional theory (DFT). The influence of graphene compound and gold loading on the band gap, densities of states and microstructure of M2O5 are discussed. This can serve as the theoretical guidance how to improve the electrocatalytic activity of M2O5. The Aux/M2O5-GN electrode materials obtained could overcome these faults which Pt is used as the electrocatalyst in DAFCs, such as CO poisoning, low efficiency and soon. It is very significant for promoting commercialization of DAFCs.

本项目拟采用回流还原法、一步水热还原法和微波加热还原法制备五氧化二钽铌-石墨烯负载金纳米粒子Aux/M2O5-GN（M-Ta, Nb）电催化剂，用在以甲醇、乙醇为燃料的直接醇类燃料电池（DAFCs）中，替代以铂基为主的阳极氧化电催化剂。主要利用X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）、扫描探针显微镜(CSPM)、循环伏安法（CV）及电化学阻抗谱分析法(EIS)等方法对产品的晶相、组成、形貌、大小、表面结构、微观结构、电化学性能等进行测试分析。此外，利用密度泛函理论进行分子模拟计算，探讨石墨烯复合、金负载对M2O5带隙、态密度、微结构的影响，进而得到如何提高M2O5电催化活性的理论指导。拟制备的Aux/M2O5-GN电催化剂有利于克服以铂基阳极氧化催化剂为主的DAFCs易CO中毒，催化剂利用率不高等缺点，推进其商业化进程有重要意义。

随着人类经济的发展，对化石能源的需求量日益增加，能源危机将是全世界面临的一大问题。此外，化石燃料会造成环境污染，影响人类健康。燃料电池被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁能源。近年来，直接醇类燃料电池(Direct Alcohol Fuel Cells, DAFCs)，由于其能量密度高、操作温度低、环境友好、液体燃料操作、运输方便等优点受到研究者的特别关注。DAFCs阳极电催化剂仍然是铂基材料，自然界铂资源匮乏、价格昂贵，而且醇氧化的中间产物CO容易使铂基催化剂发生中毒，降低铂的利用率，大大地限制了DAFCs的商业化进程。本项目研究非Pt基电催化剂材料用于小分子醇类的氧化，对促进DAFCs商业化进程有非常重要的意义。. 利用煅烧法制备了球形五氧化二钽 (Ta2O5) 和五氧化二铌 (Nb2O5) 颗粒，采用低温水热法合成了五氧化二钽纳米棒、海胆形貌的五氧化二铌微球和五氧化二铌纳米线，实现了通过不同实验方法对不同形貌五氧化二钽和五氧化二铌的控制合成。然后，利用回流还原法负载Au，Pd金属纳米粒子，进一步与石墨烯 (rGO) 进行复合，研究了其在酸性和碱性环境下，对甲醇、乙醇和乙二醇的电催化活性。利用密度泛函理论讨论了Au，Pd的负载对Ta2O5和Nb2O5的微观结构、态密度以及电荷分布的影响，得到了结构与电催化活性的构效关系，金属粒子与Ta2O5和Nb2O5之间的复合区域的电子流动性变强，发生快速的电子传递，有利于电催化作用。还探讨了氧化钽、石墨烯、金等对小分子醇类氧化的中间产物的吸附，例如CO，并且与Pt金属进行了对比。计算结果表明，氧化钽和金对CO的吸附比Pt对CO的吸附要弱的多，石墨烯对CO几乎没有吸附，因此，研究制备的材料有很好的抗中毒能力。