基于三维氮化碳-石墨烯载体的直接甲醇/甲酸燃料电池负极催化剂的控制合成及性能研究

As a promising alternative green power source, the direct methanol fuel cell (DMFC) and direct formic acid fuel cell (DFAFC) have attracted considerable attention due to their merits of high theoretical energy conversion efficiency, low pollutant emission, and convenient storage and transport of liquid fuel. Nevertheless, there are a number of challenges and obstacles such as poor catalytic activity and high cost to limit the commercialization of fuel cell technology. The objective of this project is to design and construct covalently coupled three-dimensional (3D) porous carbon nitride-modified graphene-based anode catalysts, and examine their electrocatalytic performance for methanol and formic acid oxidation. The possible mechanism for the enhancement of electrochemical performance will be explored. Moreover, the influence of the nanostructures, morphologies and composition of the nanocomposites on the electrocatalytic properties will be also studied. If that can be accomplished, then it may be possible to obtain an advanced anode electrocatalyst for DMFC/DFAFC fuel cells as a result of the interaction of individual components as well as the concerted effect.

作为一种能量转换效率高、污染排放小的清洁能源装置，直接甲醇/甲酸燃料电池具有广泛的应用前景，但其大规模商业化应用仍需突破一些瓶颈，如降低成本和提高液体燃料氧化动力学反应速率等。开发具有独特纳米微结构的高性能负极催化剂是解决上述问题的关键之一。本项目拟设计、构建共价耦合的三维多孔氮化碳-石墨烯复合载体，进而设计、合成此类载体担载纳米金属（合金）粒子的负极催化体系，研究其形貌、微结构、形成机理、各组分相互作用的本质，及这些因素对甲醇/甲酸燃料氧化反应的电催化性能的影响，并探究甲醇/甲酸在此催化体系中的氧化反应机理。该催化剂独特的结构特征可能呈现良好的构效关系：共价耦合的三维多孔网络结构将有利于提高催化剂的稳定性，氮化碳的参与将有助于金属纳米粒子更均匀的分布，良好的导电性能和各组分的协同作用将进一步提升电催化活性和抗中毒能力。

本项目以设计和制备新型碳氮基纳米材料入手，着重研究碳氮基纳米材料的形成机理，化学特性和电子结构，通过调变碳氮比例、预处理条件、煅烧温度，得到活性位点多，结构稳定的最优碳氮基纳米载体，最后实现在其表面负载贵金属纳米颗粒或金属氧化物，获得一系列具有独特结构的金属-纳米碳氮复合物，并重点研究了复合材料作为直接液体燃料电池阳极催化剂、光电化学电池光阳极材料的相关性能，较为深入的探讨了载体材料与活性组分之间的相互作用，以及微观结构与性能之间的构效关系。例如，利用氧化石墨烯含氧官能团的高反应活性，与三聚氰胺分子中的氨基发生酰胺化亲核取代反应，得到共价键键合的氧化石墨/三聚氰胺共混物，进而在高温热处理后，氧化石墨自还原、三聚氰胺原位聚合，形成共价键键合的氮化碳（g-C3N4）修饰石墨烯（rGO）复合物。由于g-C3N4具有很强的电子亲和力，同时结构中的氨基分子易于和金属离子配位，通过化学还原法，实现金属钯的负载。与其他碳材料做载体制备得到的钯催化剂相比，共价键键合g-C3N4-rGO负载钯催化剂表现出小尺寸、高分散的特点，同时具有优秀的甲醇和甲酸催化氧化活性，如较大的电化学活性比表面积、较高的催化峰值电流强度、稳定的长时间输出电流，优异的抗中毒能力等。