高效氮掺杂有序介孔碳电催化剂材料与电极的构筑及相关基础问题研究

The usage of the Pt catalyst poses a great challenge to the development of fuel cell technology; therefore, it is urgent to explore novel non-noble metal based electrocatalysts. Nitrogen-doped ordered mesoporous carbon features high specific surface area and uniform pore size, which are highly desired to be used as the electrocatalyst in fuel cells. This proposal is aimed to synthesize the nitrogen-doped mesoporous carbon with controllable pore structures based on the vaporization-capillary condensation impregnation method developed in our group. Based on the synthesis work, the function of the template is clarified in terms of the pore structure-direction and space nanoconfinement effect. Then, the surface analysis by XPS and Tof-SIMS is conducted to probe the elemental composition and chemical state, molecular fragment and microstructure of the catalyts, and thereby a chemical model is proposed to describe the surface composition/structure. The result is then correlated with the electrocatalytic activity to clarify the role of the transition metal and the dopant nitrogen, and finally the instrinic nature of the active sites. In addtion, optimal electrode structure will be developed based on the unique features of the catalyst to ensure a high output power density of the fuel cells. Basically, this research work presents the results on the synthesis chemistry and intrinsic nature of the nitrogen-doped mesoporous carbon in a fundamental way, as well as the electrode structure from an engineering point of view. Therefore, this research project will definitely shed light on the rational design and development of the non-noble metal electrocatalyst for fuel cells.

燃料电池中贵金属铂的大量使用是阻碍其发展的关键因素，亟需探索高效廉价的替代型电催化剂。氮掺杂有序介孔碳材料具有极高的比表面积和规整的孔道结构，可实现电极内活性位点的密集组装与反应物料的快速传输，是一类备受关注的电催化材料。本项目拟在前期改进纳米浇铸法工作基础上，开展材料制备科学研究，获得粒径/孔结构可控的氮掺杂有序介孔碳，揭示模板结构导向功能与空间限域机理；基于XPS、Tof-SIMS等方法研究表面元素组成/化学态与分子链段信息，构建表面化学模型；结合电化学结果，探讨过渡金属和氮元素功能，从原子/分子层面阐明材料"构-效"关系，揭示活性位点本质；通过调控材料粒径等特征，在兼顾荷质耦合传输过程基础上构筑高效电极，提高燃料电池性能。本项目的研究将丰富氮掺杂有序介孔碳选控制备科学内容，深化表面活性位点认知，为探索新型催化剂体系和电极结构提供理论指导和开发思路，具有重要的理论意义和应用价值。

燃料电池中贵金属铂的大量使用是阻碍其发展的关键因素，亟需探索高效廉价的替代型电催化剂。有序介孔碳材料具有极高的比表面积和规整的孔道结构，可实现电极内活性位点的密集组装与反应物料的快速传输，采用元素掺杂进一步调控电子结构与尺寸结构可有效提升电催化性质，因此，是一类备受关注的电催化材料。本项目发展了改进纳米浇铸法制备高比表面积的氮杂有序介孔碳材料，通过开展条件实验，优化了制备参数，调控了材料组成、结构、形貌、维度等特征参数，制备了一系列具有高比表面积的掺杂碳材料；系统研究碳材料组成与结构信息，结合电催化反应（包括氧还原反应、质子还原反应、钒电对转化反应等）活性信息，揭示了电化学行为与电催化反应活性位点的化学本质与构效关系，主要科学发现包括：（1）酸碱介质中，氮活化碳原子为氧还原反应活性中心，过渡金属铁的作用在于在高温下促进活性中心的形成，而非本身直接参与催化反应的进行；（2）掺杂元素氮为析氢反应活性中心，在酸性介质中的酸碱中和反应为上述反应的进行提供了额外驱动力；（3）在掺杂型碳材料上发现了V(IV)/(III)电对转化，V(III)/(II)转化为外球电子转移过程，不涉及吸/脱附过程，V(V)/(IV)转化为电催化过程，结合相关结果给出了完整的反应机理，计算了其速度反应常数。采用喷涂工艺制备了燃料电池电极，研究了阴极中氧还原反应耦合的物料传输过程，所组装室温直接甲醇燃料电池性能达到公开文献中的最高水平（最高功率密度接近40 mW cm-2）。本项目研究成果将丰富掺型有序介孔碳选控制备科学内容，深化表面活性位点认知，为发展新型催化剂体系和电极结构提供理论指导和开发思路，具有重要的理论意义和应用价值。