基于瓜环的纳米合金复合材料的制备及其在直接液体燃料电池催化反应中的性能研究

Cucurbit[n]uril(CB[n]) and its derivates are a famous family of macrocyclic molecules. Owing to their unique structural features and surface electrostatic potential distribution, CB[n] becomes the hot spot for designing nanomaterials. In this project, we will design and synthesize nanoalloys with controlled morphology as electrocatalysts by using CB[n] as protecting agent and support.The effect of CB[n] on the formation of nanoalloys will be studied. By manipulating the kinetic and thermodynamic factors carefully, we aim to rationally control the size, shape and composition， which directly determine the electronic structure and catalytic properties of nanoalloys. The catalytic activity, tolerance and stability of the as-prepared catalysts will be explored towards both the anode and cathode reactions of direct liquid ( methanol, ethanol and formic acid ) fuel cell. The in-situ techniques, ex-situ TEM, ICP and XPS characterizations will be applied to reveal the electrocatalytic mechanism. Most importantly, the effect of CB[n] on the catalytic reaction will be discussed. In addition, the relationship between the structure and catalytic properties of nanocatalysts will be revealed. We hope that this project will provide reliable experimental basis for rational design of cost-effective fuel cell catalysts.

瓜环及其衍生物是备受瞩目的大环状分子。其独特的结构特征和表面电势分布使得瓜环在纳米材料的制备方面有着独特之处。本项目旨在设计并制备结构可控的基于瓜环的纳米合金电催化材料，系统的研究瓜环对纳米复合催化材料的形貌引导作用。通过对热力学和动力学因素等合成条件的调节,合理的调控纳米合金电催化剂的粒径、形状、组成等结构参数。研究这些催化剂在以甲醇、乙醇和甲酸为燃料的直接液体燃料电池阴、阳极催化反应中的活性、耐毒性和稳定性；通过原位和非原位手段研究催化反应机理，揭示瓜环对催化反应本身以及催化剂性能的影响。本项目还将探索催化剂结构和性能之间的构效关系，为合理设计新型燃料电池电催化剂提供实验依据。

本项目成功制备了一系列基于瓜环及其衍生物的纳米复合材料，这些材料作为催化剂在直接燃料电池相关电催化反应中表现出优良的催化活性和稳定性。瓜环及其衍生物是一类刚性大环状分子，具有独特的结构特征和化学性质。瓜环分子的电势分布及其自身的体积效应使其在作为纳米颗粒保护剂及载体的过程中展示出特有的优势。本项目通过精细调控合成条件，利用瓜环及其衍生物作为载体和保护剂，成功制备了一系列组成、形貌及粒径大小可控的基于瓜环的复合纳米材料，通过红外、粉末衍射、透射电镜、光电子能谱以及吸收谱等表征手段详细研究了纳米复合材料的结构和组成。通过理论计算验证了瓜环及其衍生物和纳米颗粒之间的相互作用以及瓜环对催化活性中心组成的调控功能。除此之外，瓜环分子还能够通过丰富的氢键作用或与乙醇、二氧化碳等小分子相互作用从而促进催化性能。该系列基于瓜环及其衍生物的纳米复合材料在不同的电催化反应体系，如氧还原、乙醇电催化氧化等都展示出优异的催化活性和稳定性。该系列催化剂的合成及催化性能研究成果为合理设计高性能电催化剂提供了新方法以及实验的和理论的依据。经过四年的研究，本项目的实施解决了基金申请之初所提出的科学问题，发表了高质量学术期刊研究论文8篇，获得授权专利3项，申请专利6项；培养3名博士毕业生，2名硕士毕业生，1名博士后。本项目研究成果总体上实现了预期的目标。