原位静电自组装合成Pt基环绕结构催化剂及其与高效膜电极的耦合研究

Proton exchange membrane (PEM) fuel cells have been considered as a promising advanced energy technology. However, to realize the commercialization, it is necessary to reduce the cost of PEM fuel cells. And a promising approach to low cost is ro reduce the amount of noble metal catalysts. This project proposes a new method to prepare high-performance MEA using in-situ electrostatic self-assembly technology: that is, deposing Pt based binary surrounding nanocomposite on the electrochemical active points of Gas Diffusion Electrode, and then heat-press them into MEA. Firstly, we will detailedly study methods, formation mechanism, and electro-catalytic properties catalysts with different surrounding nanostrctures; secondly, we will study the electrostatic self-assembly behavior of catalysts on carbon supports，and how to build Pt based surrounding structure on carbon support through electrostatic self-assembly. Finally, we will develop new ways to the synthesis of MEA and study the following factors: the surface functionalization of Gas Diffusion Electrode, controlable preparation of binary catalysts using electrostatic self-assembly, and the effects of binary structures on mass and charge transmission,etc. Therefore, our reserch will benifit the theory of electrostatic self-assembly, improve activities and utilization of fuel cell electrocatalyst, and develop new methods to synthesize MEA, which will reduce the cost of PEM fuel cell and faciliate its commercialization.

PEMFC是国内外重点发展的先进能源技术，但其高额制造成本已成为制约其商业化的主要瓶颈之一。降低贵金属催化剂用量是降低成本的重要途径。本项目提出一种"分步原位静电自组装制备高性能膜电极"的新方法，即通过静电自组装技术在气体扩散电极表面的电化学活性位上原位沉积二元环绕结构催化剂，进而热压法制成MEA。首先系统研究不同金属环绕结构催化剂的制备方法、形成机制、电催化性能及催化机制；进而研究催化剂在碳载体上的静电自组装，二元金属催化剂在碳载体上的分步静电自组装构建二元环绕结构；然后研究原位静电自组装制备MEA的新方法，包括扩散电极表面功能化，二元催化剂静电自组装的条件，纳米尺度、载量和分散性的调控，二元环绕结构对传荷传质的影响等。本研究将致力于完善静电自组装理论，探讨Pt基催化剂的催化机制，提高催化剂活性和利用率，发展膜电极组件制备的新技术新方法，为降低燃料电池成本，推进燃料电池商业化奠定基础。

质子交换膜燃料电池是一种清洁的能源转换装置，可有效地将化学能转化为化学能，燃料电池的商业化有助于缓解能源危机和解决环境污染，是一类极具前景的能源转化装置。电催化剂是化学反应进行主要场所，直接决定燃料电池的能源转化效率。目前电催化剂主要以铂、钯等贵金属为主，但是贵金属的稀有储量和高昂价格限制质子交换膜燃料电池的发展。为了提升电催化剂的催化动力学，首先从分子水平上研究不同结构催化剂的催化反应机理。利用聚电解质PDDA作为还原剂和形貌控制剂，开拓了一种简单、有效地合成不同形貌地铂纳米晶的方法，研究了不同晶面铂纳米晶的氧还原反应动力学，提出了具有（111）晶面的铂颗粒具有最高的氧还原催化活性。采用原位可控温的红外光谱揭示了铂-普鲁士蓝复合催化剂催化氧还原反应的协同机制，即普鲁士蓝加速氧气分子断裂，铂颗粒促进中间产物还原生成水。发展了选择性包覆技术，并结合电化学原位红外技术，研究铂-金催化剂表面甲酸电氧化反应的增强机制，铂可以加速金表面吸附的甲酸分子的碳-氢键的断裂。利用已阐释的机理指导高活性和高稳定催化剂的构筑，并完善静电自组装方法在合成领域的应用。通过液相还原法制备不同荷电态的胶体，在静电力的驱动下，完成带电纳米粒子的自组装。制备了具有环绕结构的铂-普鲁士蓝复合结构，这种纳米催化剂具有高的电化学活性和高的化学、电化学稳定性。通过静电自组装的方法，将铂、钌、金三种元素成功地引入同一体系，制备了铂钌-金环绕复合催化剂，充分发挥三种元素的作用，获得了一种高活性和高抗毒化能力的甲酸氧化催化剂。同时，研究电化学测试因素对测试结果的影响，发展了一种准确、客观的评价方法。成功地将静电自组装思想拓展到纳米电催化剂合成领域，揭示多类电催化反应的微观机理，并成功地指导高活性和高稳定性催化剂的构筑，丰富了电催化和燃料电池领域的理论知识、设计思想和合成策略。