稳定电催化材料的原子水平可控放大制备过程特性和应用基础研究

本项目基于离子交换树脂实现原子水平可控制备纳米碳化物（钼、钨、钒）和纳米非铂贵金属颗粒，同时实现树脂的石墨化，定域地将碳化物和金属颗粒负载在石墨化碳上，形成氧还原催化剂。重点放在三方面。1，直径可控的稳定的碳化物在石墨化碳上的定域制备；2，电催化材料的放大制备过程特性研究3，金属颗粒在石墨化碳和碳化物上的定域制备。通过本项目进行系统的催化材料的设计策略和制备科学研究。在实验上实现新型催化剂载体、助催化剂和新的催化剂体系的功能导向设计、合成和表征。在理论上探讨催化材料的稳定化设计策略、协同作用本质、金属-载体相互作用力提高的机制，从而在实质上解决低温燃料电池催化材料的催化活性、稳定性、成本等共性关键问题。

项目在燃料电池低贵金属催化剂研究这一主题下，通过研究制备新型载体材料，进一步将贵金属负载在新型载体材料上，研究金属与载体的定域制备和锚定作用，利用贵金属与载体直接的协同作用得到高性能催化剂，同时降低贵金属用量。项目要以纳米碳化物（碳化钨、碳化钒、碳化钼）为载体研究其稳定性本质、颗粒的大小和晶体结构等因素对贵金属催化性能的影响。项目研究的另一类载体是石墨化碳材料，利用离子交换树脂法制备类石墨烯的石墨化碳，同时制备了蜂窝碳，多孔碳等其他碳材料。以上述载体为基础，负载了铂，钯等贵金属，研究载体与金属颗粒之间的协同效应机理和动力学机理。项目研究了一类完全无贵金属的氧还原催化剂，通过对碳材料进行掺氮处理构筑氧还原活性位。对掺氮的碳材料的氧还原活性机理进行了深入的研究。根据原子结构特性阐述催化材料构型和被催化物种之间的构效关系，从催化材料的电特性和轨道特性角度阐述不同构型的载体对催化材料催化能力的影响机制。利用第一性原理研究了材料表面电荷分布和材料电子轨道结构之间的关系，从电子结构角度解释了协同效应。项目顺利完成计划内容，在燃料电池催化剂新型碳载体/碳化物载体以及基于这类载体的催化剂制备和协同效应研究方面成功地总结出系统性的规律，并通过理论计算进行了机理解释。