氮掺杂石墨烯基燃料电池催化剂的可控制备及其催化性能研究

石墨烯的二维晶体结构使其具有优异的导电性能和独特的催化剂载体应用前景。本项目拟开展氮掺杂石墨烯材料的合成及氮掺杂石墨烯基直接甲醇燃料电池催化剂的制备与应用研究。氮掺杂可以有效改变石墨烯的晶体结构和电子能带结构，改善石墨烯与金属催化剂粒子间的结合和界面结构，提高氧化还原反应中间产物在石墨烯表面上的吸附/脱附性能，从而优化了石墨烯所附载的纳米粒子的催化性能。通过优化制备方法和反应参数，在氮掺杂石墨烯表面上制备出均一分散的金属（如Pt、Ru、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Sn）及其二元/三元合金纳米粒子，研究其电化学催化性能与反应机理，进而优化合金组成及比例，减少昂贵Pt的用量或不使用Pt，研制出具有高催化活性、高稳定性和抗CO中毒性的新型氮掺杂石墨烯基阳极氧化催化剂和阴极还原催化剂。本项目的开展将有效拓宽石墨烯的应用领域，为开发石墨烯基燃料电池催化剂新方法和新技术提供理论依据和实验基础。

燃料电池是一种直接将化学能转变为电能的装置，它可以实现能源的可再生利用。与其它类型燃料电池相比，直接甲醇/乙醇燃料电池具有能量密度高、工作温度低和燃料便于贮存携带等优点，然而，较低的阳极甲醇/乙醇氧化性能、阴极氧气还原性能、昂贵的铂催化剂的使用、以及催化剂CO中毒等问题制约着直接甲醇/乙醇燃料电池进一步的广泛应用。.石墨烯具有独特的理化性能和电子结构，在电化学和燃料电池中具有广泛的应用前景。本项目采用溶剂热法成功制备了石墨烯、氮掺杂石墨烯和硼掺杂石墨烯，并通过不同方法在石墨烯表面制备了金属及金属氧化物纳米粒子，对其形貌进行了表征。通过电化学性能测试，对比研究了不同材料对甲醇/乙醇氧化和氧气还原的催化性能。在ACS Nano、Applied Physics Letters等期刊发表SCI/EI收录学术论文31篇。.（1）首次结合电子显微镜结构表征结果，采用分子动力学模拟为功能化石墨烯中纳米Pt粒子在石墨烯表面的分布状态以及纳米Pt粒子与石墨烯间的相互作用提供理论解释。.（2）首次利用扫描隧道显微镜对悬浮式石墨烯及二氧化锡功能化石墨烯进行原子分辨率成像，并对其机电性能进行了系统研究，对研制石墨烯基新型功能材料和功能器件具有重要的理论指导意义。研究发现，在同等外力条件下，功能化石墨烯的位移是石墨烯的十倍。.（3）在SnO2溶液中，石墨烯将自发缠绕并包裹在纳米粒子周围，石墨烯对SnO2纳米粒子形成局部包覆，可保护SnO2纳米粒子免受外界环境的影响，石墨烯与SnO2纳米粒子形成紧密的电接触界面，有利于SnO2纳米粒子对太阳光的吸收和光生载流子的传输。.（4）首次研究氮掺杂石墨烯作为催化剂及催化剂载体在酸性和碱性溶液中对氧气的电催化还原行为，探讨了石墨烯和氮掺杂石墨烯在酸性和碱性环境下的催化活性以及作为载体对催化剂活性的促进作用，为氮掺杂石墨烯在醇类燃料电池催化剂方面的应用提供了重要的理论基础。.（5）研究了碱性环境中石墨烯负载金属镍纳米颗粒复合材料催化甲醇/乙醇氧化的电化学性能，发现常温下石墨烯负载金属镍纳米复合材料对甲醇/乙醇氧化具有很好的电化学催化性能，对碱性直接醇类燃料电池的发展具有重大促进作用。.本项目开展了氮掺杂石墨烯材料的合成及氮掺杂石墨烯基直接甲醇燃料电池催化剂的制备与应用研究，为开发石墨烯基燃料电池催化剂新方法和新技术提供理论依据和实验基础。