二氧化钛过渡金属掺杂合成高稳定性载体及其对担载型Pd催化剂性能增强机制的研究

The fuel cell is an efficient, convenient, environmentally friendly green clean energy，has a broad application prospects. However, we face the bottleneck problems of high-cost, short-life for achieving its commercialization. It is the key for real commercialization of fuel cell to develop a cheap and efficient catalyst material.The purpose of this project is to enchance the stability and activity of Pd catalyst. The project plans to use TiO2 as the host materials,and the transition metals will be doped , and embedded TiO2 lattice that can improve the conductivity of TiO2 support. The novel TixMyO2 catalyst supports will be prepared .TixMyO2 is mixed with carbon and carbon nanotubes, which makes corrosion resistance and electric conductivity of the support enhanced.Then high stable and highly active Pd catalysts will be synthetized . The performance of the catalysts for formic acid electrooxidation reaction will be researched. The transition metal-doped TiO2 support on the catalytic performance will be studied. Finally, the quantum mechanics calculation will be employed to theoretically study effect mechanism of transition metal-doped TiO2 support on enhanced catalyst performance. The implementation of this project will help to promote the combination of theory and practice in the catalyst development process, and provide a theoretical basis for design, development, and application of the high activity, high stability fuel cell catalyst.

燃料电池是一种高效、便捷、环境友好的绿色清洁能源，具有广阔的应用前景，然而要实现其商品化，还面临着成本、寿命等问题，研制出高效廉价的催化剂材料是关系到燃料电池真正迈向商业化的关键。本项目以提高Pd催化剂稳定性与活性为导向，拟设计以TiO2为宿主材料，通过掺杂变价性强的过渡金属，提高TiO2载体的导电性，制备新型的TixMyO2催化剂载体，并与碳和碳纳米管混合，使载体抗腐蚀性能和导电性能得到增强，制备高稳定高活性的Pd催化剂，研究其对甲酸电催化氧化反应的性能，探究过渡金属掺杂的TiO2载体对催化剂性能的影响。并且结合量子化学计算，揭示过渡金属掺杂的TiO2对催化剂性能提高机制。本项目的实施将有助于促进催化剂发展过程中理论与实践相结合，为高活性、高稳定性的燃料电池催化剂的设计、研发提供理论依据。

近年来有关金属氧化物作为燃料电池载体及助催化剂研究越来越多。主要原因是一方面金属氧化物添加可以提高催化剂中贵金属的催化活性，减少贵金属的用量，降低燃料电池催化剂的成本，另一方面催化剂的电化学稳定性也有所提高，延长燃料电池的使用寿命。然而金属氧化物的导电性差这一特点是制约其发展的一个关键因素，导电性差使电极反应过程中电子传递受阻，降低电极反应速率。. 本项目以对金属氧化物载体进行研究及改性，提高Pd催化剂的活性和稳定性入手，采用金属氧化物材料三氧化钨，以及三氧化钨/二氧化铈复合材料对碳载体进行修饰，考察其对催化剂性能的影响。并针对金属氧化物二氧化钛载体导电性差，对其进行改性，掺杂过渡金属钨离子提高导电性，合成新型的TixWyO2载体；并对载体的合成工艺，以及金属掺杂的比例进行优化，从而使金属氧化物载体抗腐蚀性能和导电性能得到增强。研究其担载Pd催化剂对甲酸电氧化的催化活性和稳定性。进一步通过TEM、XPS、XRD等手段，明晰载体与贵金属在结构形貌、表面电子相互作用和晶格参数变化等方面的相互关系，探究金属与载体间相互作用对催化性能的影响，理解金属氧化物及掺杂改性后金属氧化物材料对电化学活性和稳定性的增强机制，对推动燃料电池商业化进程具有积极意义。