有序金属间化合物的结构调控及其电催化性能研究

To improve the performance and durability of the nanocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane fuel cells, we look beyond Pt-based disordered alloys and describe a facile method to synthesize ordered Pt-based intermetallic nanoparticles for the ORR. Most of the previous studies focused on Pt-based alloy. However, the electrocatalytic activities and stability need further improved for practical application of fuel cells. It is of great important to tune the electrocatalytic activities and durability of present catalysts or develop new type electrocatalysts for practical fuel cell applications. In this project, we are planning to develop methods to synthesis Pt-based ordered intermetallic nanoparticles for the ORR. The electronic structure of Pt could be tuned by adding different 3d-transition metals, which would affect the adsorption energy of Pt to oxygen-contain species, and then enhance the ORR activities. These ordered particles provide a new direction for catalyst optimization and a promising candidate for the next-generation fuel-cell electrocatalysts, which is valuable and meaningful.

优化燃料电池阴极氧还原反应催化剂的性能和耐久性是燃料电池催化剂研究的一个重要课题。目前大多数的研究工作集中在铂基合金催化剂上，但是其催化活性和稳定性还有待进一步提高以用于实际燃料电池。如何在现有的催化剂体系基础上进一步的调控催化剂的稳定性和电催化活性或者寻找新型的催化剂材料势在必行。本项目拟突破传统的合金催化剂的观念，以Pt基有序金属间化合物纳米晶为研究对象，建立有序纳米晶的化学制备方法和表面调控技术，探讨有序结构的形成机理和控制因素。通过不同过渡金属元素的加入调控Pt的晶格常数、能带结构等参数以调控Pt对氧的吸附能，从而影响其氧还原反应的电催化活性，进而通过研究Pt基合金有序化产生的表面结构、形貌以及晶格常数、电子结构等物理性质变化对电催化性能的影响规律，揭示表面结构与催化剂性能的内在联系，揭示其催化机理本质，以指导燃料电池电催化剂的优化设计。

质子交换膜燃料电池因其高效、环保而广受关注，但相比于阳极氢气氧化速率，缓慢的阴极氧还原速率严重制约了电池的输出功率和商业化应用。设计高效的氧还原（ORR）催化剂是燃料电池关键技术之一。目前商业化使用ORR催化剂为贵金属Pt催化剂，其储量少，价格昂贵。本项目主要通过合金化-有序化合成策略来提高Pt的催化活性，减少Pt的用量。通过向Pt催化剂中引入3d过渡金属Fe、Cu、Ni等形成不同合金度的Pt基金属间化合物，深入剖析催化剂的结构参数与催化性能之间的关系，实现原子水平上对金属间化合物纳米粒子的结构和组成的调控，探索催化剂的表面组成、性质以及物相因素对其催化剂活性以及稳定性的影响，建立构-效关系，借助理论计算加深对氧还原电催化的理解，从而为燃料电池电催化剂合成、表征以及设计提供指导和理论依据。