基于乙醇电氧化的铱基催化剂的可控合成、形成机制及催化性能研究

The study of the anode catalysts for direct ethanol fuel cell is of great significance for the commercialization of direct ethanol fuel cell, and it is essential to develop cheap catalysts with high activity, high stability and high CO2 selectivity. In this project, a series of Ir-based nanocatalysts will be developed for electrooxidation of ethanol to CO2 with a high CO2 selectivity, which can effectively improve the electrooxidation efficiency. Here, Ni, Cu and Pb will be used as co-catalyses to synthesize Ir-based nanoparticles. The effect of co-catalyses on the electronic structure and electrocatalytic property will be studied, and the co-catalytic mechanism will be revealed with the assistance of DFT calculation. Novel Ir-based nanomaterials with adjustable dimension and high-index facets will be synthesized by control experimental conditions, from which the formation mechanism of the unique structures will be deduced. The stabilization strategies of high-index facets will be also explored. The electrocatalytic performance of the Ir-based nanocatalysts will be deeply investigated, as well as the relationship between the dimension, high-index facets and the electrocatalytic performance. Then, the reaction mechanism of ethanol electrooxidation on Ir-based nanocatalysts will be revealed combined with DFT calculation. Ir-based nanocatalysts with high activity, high stability and high CO2 selectivity will be sorted out, which can provide ideal materials and solid theories for their practical applications in direct ethanol fuel cell.

直接乙醇燃料电池阳极催化剂的研究对直接乙醇燃料电池商业化进程具有非常重要的意义，开发具有高活性和高稳定性，同时具备高CO2选择性且价格低廉的催化剂至关重要。本项目拟构建Ir基纳米催化剂体系以实现乙醇高选择性氧化生成CO2，有效改善当前乙醇电氧化效率低的问题。内容包括：拟以Ni、Cu和Pb作为助剂合成Ir基纳米颗粒，考察助剂的种类和含量对Ir的电子结构及催化性能的影响，借助DFT理论计算探究助剂的催化强化机制；通过对实验条件的探究构筑具有不同维度和高指数晶面的Ir基纳米材料，阐明其形成机制；探索高指数晶面稳定化策略；深入考察Ir基催化剂的电催化性能，探讨维度、高指数晶面与催化性能间的构效关系，结合DFT理论计算探究乙醇电催化氧化反应机理。筛选出一批具有高活性、高CO2选择性和高稳定性的Ir基纳米催化剂，为其在乙醇燃料电池中的应用提供材料支撑和理论指导。

直接乙醇燃料电池阳极催化剂的研究对直接乙醇燃料电池商业化进程具有非常重要的意义，开发具有高活性和高稳定性，同时具备高CO2选择性且价格低廉的催化剂至关重要。在本项目基金的资助下，在面向乙醇电氧化（EOR）的含Ir等多组分纳米催化剂的控制合成、形成机理、C1路径选择性的研究中心取得了较多的研究进展。.首先，采用油相法合成了以Ir为基材的多孔Ir3Pb合金纳米枝晶（ND-Ir3Pb），以验证其催化乙醇电氧化的效率。在乙醇电氧化反应中，ND-Ir3Pb的面积比活性和质量比活性分别是商用Pt/C-JM的5.79倍和5.82倍。此外，相比于Pt/C-JM，ND-Ir3Pb还拥有更高的CO2选择性，表明Ir能促进乙醇分子在电氧化过程中C-C键的断裂。其次，通过油相法合成了一种高孔隙率Pt2Ir合金催化剂（p-Pt2Ir），并用于EOR，其质量活性是商用Pt/C-JM的7.2倍。此外，原位IRRAS光谱表明，p-Pt2Ir在0.65 V和0.75 V（vs SCE）的CO2选择性分别是纯Pt的3.4和4.1倍，展现出卓越的CO2选择性。第三，用简单的湿化学法合成了一种新型的五重孪晶Pt-Ir合金纳米棒（FFT Pt-Ir NRs），并探究了五重孪晶结构的生长机理，考察了还原剂种类、表面活性剂含量与类型对五重孪晶结构形成的影响。Ir参与合金化形成的FFT Pt-Ir NRs 在EOR中展现出卓越的催化活性，其质量活性达到4.18 A mgPt-1，比表面活性达到10.22 mA cm-2，C1路径的选择性高达61.21%，分别是商业铂黑的6.85、5.62和7.70倍。较大比例且具有拉伸应变的Pt（100）晶面和Ir合金化显著促进了C-C键的断裂，促使乙醇沿着C1路径氧化至CO2。第四，在Pt(110)晶面包裹的六边形纳米片（PtPb@PtIr1 HNPs）上构建单原子Ir1位点，以驱动乙醇的完全电氧化。得益于Ir1位点的构建，PtPb@PtIr1 HNPs对C1途径的法拉第效率为57.93%，是商用Pt/C-JM的8.3倍。DFT计算表明，PtPb@PtIr1 HNPs表面的强协同作用显著促进了CH2CO*的C-C键断裂，促进了CO的氧化，抑制了催化剂的失活。.最后，在本项目支持下，共发表SCI论文11篇，申请发明专利2件（已经授权），培养研究生5名，其中2名已毕业。