石墨烯封装限域钙钛矿表界面金属-碳（M-C）键杂化体系催化甲酸分解制氢研究

It makes great significance to develop catalysts without noble metals for the low-cost critical technologies of hydrogen storage and evolution from formic acid. In this project, the graphene-encapsulated confined perovskite composites with interfacial metal-carbon (M-C) bond will be synthesized by graphene oxide self-assembly confined encapsulation of perovskite. The physical and chemistry principles of the M-C bond’s formation will be investigated thoroughly and the influencing mechanism of the electron transfer on the intersurface will be analyzed. The mechanism of facilitating charge transfer on interface by M-C bond for hydrogen evolution from formic acid will be elaborated clearly. Moreover, the influence on the hydrogen evolution by the morphology and structured properties of the graphene-encapsulated confined perovskite will be explored. The controllable multistage nanostructured active sites will be constructed and the precisely catalytic regulation methods for hydrogen evolution from formic acid will be researched. The project proposes novel graphene-confined perovskite composites with interfacial metal-carbon (M-C) bond. It will contribute to the exploitation of graphene composite catalyst and also provide a new theoretical basis for low-cost non-noble catalysts and the corresponding application of catalytic process. Combining nano-technology with catalyst engineering, this project not only has obvious innovation, but also is of great importance for potential application value.

构建面向实际应用的催化甲酸分解制氢的无贵金属催化剂，对开发低成本利用氢能源的关键技术储氢和释氢工艺具有十分重要的意义。本项目通过氧化石墨烯介导自组装限域钙钛矿制备表界面含有金属-碳（M-C）键的石墨烯钙钛矿复合催化剂，探究石墨烯与钙钛矿相互作用形成M-C键的物理化学原理；分析催化剂表界面上电子转移的影响机制，阐述M-C键促进表界面电荷传输催化甲酸分解制氢的机理；研究石墨烯封装限域钙钛矿形貌和织构特性对甲酸分解制氢性能的影响，形成可控的多级纳米结构活性中心；探究甲酸催化分解制氢的精准调控方法，建立催化剂结构与催化性能之间的构效关系。本项目构建的新颖的表界面含有M-C键的石墨烯限域钙钛矿复合型催化剂，将有助于石墨烯基催化材料的开发，为低成本的非贵金属催化剂及其应用提供新的理论基础。本项目将纳米技术和催化剂工程结合起来，具有明显的创新性，也具有重要的潜在应用价值。

基于面向甲酸等有机小分子分解制氢的非贵金属催化剂的基础研究，对开发低成本的利用氢能源关键技术储氢和释氢工艺具有十分重要的意义。本项目利用氧化石墨烯含氧基团介导自组装构建金属-碳（M-C）键石墨烯复合催化剂。探究石墨烯与钙钛矿等金属氧化物之间的强相互作用的科学问题，包括石墨烯与过渡金属之间的M-C键形成机制。研究石墨烯促进M-C键形成和诱导钙钛矿在石墨烯上自组装为杂化纳米结构的内在规律。分析表界面电子转移的影响机制。阐述M-C化学键促进表界面电荷传输催化甲酸分解制氢机理。.通过本项目的研究，掌握了氧化石墨烯含氧基团与金属离子的络合配位作用机制。研究结果表明，含氧基团与金属离子的络合配位作用，有助于石墨烯与过渡金属之间生成M-C键。M-C键改善催化材料的导电性，有利于电荷在界面处的转移，进一步改善催化甲酸分解制氢性能。构建了氮磷异原子掺杂诱导自组装石墨烯钙钛矿多级杂化纳米结构。获得了石墨烯与过渡金属之间构建M-C键合成方法以及催化甲酸分解制氢的调变机制。通过水热和焙烧处理可促进M-C键的形成，增加石墨烯与过渡金属之间的强相互作用，有利于催化甲酸C-H键断裂，提升催化甲酸分解制氢性能。.此外，利用氧化石墨烯与金属离子的强相互作用的特性，制备了石墨烯复合金属氧化物和硫化物储能材料，拓展了石墨烯复合材料在光催化和超级电容器电极材料等方面的应用。这些研究结果为石墨烯复合功能材料制备提供新的思路，也丰富了氧化石墨烯介导合成过渡金属复合材料的制备理论，可推动石墨烯纳米材料合成技术与催化剂工程的学科交叉发展。