半金属掺杂/修饰碳纳米材料的可控合成及其电催化载体应用

Slow oxygen reduction on cathode and low methanol tolerance ability are the major challenges that hinder the commercialization of direct methanol fuel cell. Nano-sized carbon-based materials doped with other element are unique and important functional materials for electrocatalytic oxygen reduction. It is the first time that semimetals-carbon composite nano-materials as electrocatalyst supports are introduced into the cathode of DMFC by this proposed project, which involves in the design of synthesizing nano-sized materials and structure-activity relationship. Firstly, this proposed project is going to design modified or doped semimetals-carbon composite materials, and investigate the growth of composite nano-sized materials and the effect of synthesis environment on the growth of proposed materials, and further develop the IP for synthetic processes. Secondly, the difference between this new developed catalysts and conventional carbon-supported catalyst for catalyzing oxygen reduction will be studied. This proposed project will investigate the kinetics behaviors of electrocatalytic reaction occurred on the surface of the new developed electrocatalysts and the mechanism of electrocatalytic promotion and inhibition. The relationship between electrocatalytic performance, activity and stability will be studied through comparison of the effect of composite and microscopic structures on the electrocatalytic reactions, which will provide a strategy and theory to develop new nano-scale high performance and low cost electrocatalytic materials.

电催化剂氧还原过程缓慢及抗甲醇能力差是直接甲醇燃料电池（DMFC）产业化的主要障碍之一；纳米结构异原子掺杂（修饰）碳材料是一类十分独特、重要的功能材料；本项目首次将半金属-碳复合纳米材料作为电催化剂载体引入DMFC阴极反应体系，以期达到提高催化剂稳定性、促进氧还原和抑制出现混合电位的目的。本研究涉及微观尺度材料设计及构效关系。首先设计并构筑不同形貌的表面修饰型或掺杂型半金属-碳复合材料，探究纳米尺度复合材料生长的规律性、材料生长环境和生长驱动力的影响；开发具有自主知识产权的材料制备技术；其次考察其作为氧还原电催化剂载体与传统碳载体的异同；研究其表面所发生的电催化反应动力学行为及电化学促进（抑制）机理。通过对比不同成分和微观结构的复合材料对电催化活性的影响，获得复合材料结构与电催化反应活性及稳定性的内在联系规律，为在微观层次研制稳定、高效、低价电催化材料提供新思路和理论依据。

本项目对“半金属掺杂/修饰碳纳米材料的可控合成及其电催化载体应用研究”进行了系统和深入的理论和实验研究，主要体现了以下几个方面的研究成果。1，通过对半金属掺杂/修饰载体材料的设计策略和制备科学研究，基于复合材料的特征，发展了几种半金属掺杂/修饰载体复合材料的制备方法，合成了多种半金属掺杂/修饰载体材料；2，基于材料设计，半金属掺杂/修饰载体材料的制备、碳材料的前驱体优选、表面修饰、形貌控制做了系统研究，其单独或负载贵金属体现了高催化活性、高稳定性，在此基础上对催化材料的电催化氧还原和有机小分子氧化的作用本质和增强机制进行了研究；3，开发了多种反应体系进行材料控制合成和电催化性能研究，发展了多种复合材料制备方法，满足实际应用的普适要求来制备各种杂原子掺杂复合材料；4，对以半金属为主的杂原子掺杂碳材料本身作为催化剂以及它们对电催化氧还原或有机小分子氧化的影响做了系统研究。并对其作为催化剂的作用机理做了初步探索，发现其作用本质是杂原子掺杂影响了碳材料的本征结构。通过对比不同材料及微观结构对电催化反应的影响，获得了杂原子掺杂碳材料作为催化剂的性能与电催化反应活性及稳定性的内在关系，在复合材料设计上主要集中在新型催化剂载体和催化体系的功能导向设计、合成和表征；在理论上主要探讨杂原子掺杂碳复合材料的稳定化设计、协同效应的本质，从而在实质上解决燃料电池催化材料的催化活性、稳定性、成本等共性关键问题。本项目按时完成了预定任务。发表SCI期刊收录论文19篇；获授权中国发明专利5项；培养毕业硕士毕业生7名。