氮掺杂型“多级孔石墨烯/双金属碳化物”复合体的可控构筑及氧还原电催化功能探究

Aiming at the key scientific problems on how to improve effectively the activity and stability of non-noble metal catalysts for ORR in PEMFC, we are going to build a "heterogeneous atomic hybrid/multi-component composite structure” nanomaterials——Nitrogen-doped "hierarchical holey graphene/bimetal carbide" composite-based multicomponent catalytic materials. Owing to its rich heterogeneous nitrogen atoms and favorable hierarchical pore structures, nitrogen-doped hierarchical holey graphene can be used to synthesize new-style bimetal carbide (Me1Me2C(Me1 denotes Fe, Co, Ni etc, Me2 denotes W, Mo, V etc)) nanoparticles, so as to form high-performance "non-noble metal catalysts" with Me1/N/C and Me2/N/C double active sites. We strive to establish a universal synthesis strategy for "heterogeneous atomic hybrid/multi-component composite structure” catalytic materials, reveal the interface growth law of active components, and create a control method about the morphological, crystal and electronic structures. We will aslo explore the chemical and physical factors of interface effect, and clarify the electrocatalytic enhancement mechanism for the present composite materials, to lay a theoretical foundation and practical guidance for its industrial application.

围绕如何有效提高燃料电池阴极氧还原反应“非贵金属电催化剂”的活性和稳定性的关键科学问题，本项目拟构建一种“异质原子杂化/多组分复合结构”纳米材料——氮掺杂型“多级孔石墨烯/双金属碳化物”复合体多元催化材料。以“氮掺杂多级孔石墨烯”作为活性载体材料，利用其丰富的异质氮原子和有利的多级孔结构，可控合成出新型的“双金属碳化物”（Me1Me2C（Me1为Fe、Co、Ni等，Me2为W、Mo、V等））纳米粒子，形成具有Me1/N/C和Me2/N/C二重活性位点的高性能“非贵金属电催化剂”。本研究力求建立一种普适的“异质原子杂化/多组分复合结构”催化材料的合成策略，揭示其活性组分的界面生长规律，形成关于微观、晶体、电子结构的调控方法；探索氮掺杂型“多级孔石墨烯/双金属碳化物”复合体界面作用的化学因素和物理根源，阐明复合材料氧还原电催化的活性机制及增强效应本质，为其工业化应用奠定理论基础和提供实践指导。

燃料电池被认为是21世纪最洁净、最高效的能源转换技术之一，设计和开发高性能、低成本的阴极“氧还原反应（ORR）”电催化剂，在推进燃料电池的发展中有着极其重要的意义。发展高性能“非贵金属电催化剂”是推进燃料电池商业化的一个上佳选择，在节能环保时代具有特殊的战略性意义。为了设计先进“非贵金属电催化剂”，我们提出的策略是构建“异质原子杂化/多组分复合结构”纳米材料——氮掺杂型“多级孔石墨烯/双金属碳化物”复合体纳米结构材料。该新型复合电催化剂主要是在引入先进纳米碳材料“多级孔石墨烯”作为结构稳定载体基础上，通过融合两类新型“非贵金属电催化剂”——“双金属碳化物”和“氮掺杂石墨烯”的各自优势设计而成。其中，氮掺杂型“氮掺杂石墨碳/Co3W3C双金属碳化物”复合体表现出非常优异的氧还原活性和稳定性能，起峰电位高达0.92V，8000CV循环后半波电位仅衰减5mV。3-D高比表面积中孔石墨烯片导电网络 (3DMGS) 上均匀负载小粒径的AgPt双金属纳米粒子催化剂拥有将近4倍于商业Pt/C催化剂的初始铂质量活性。本研究的开展将有希望进一步丰富“非贵金属电催化剂”材料设计的基础理论知识，促进“过渡金属碳化物”基及“氮掺杂石墨化碳”基电催化材料在燃料电池阴极氧还原电极的应用研究，为高活性、高稳定性的“非贵金属电催化剂”的规模制备和实际应用提供理论根据和研究新思路。