高效非铂电化学催化剂的设计与构筑

Fuel cells and dye-sensitized solar cells (DSCs) are the two most promising clean energy technologies. To date, all reported high performance fuel cells and DSCs have almost exclusively employed Pt-based electrocatalysts. Although the Pt-based electrocatalysts possess superior electrocatalytic activities, the large-scale commercial production and application of fuel cells and DSCs using Pt-based electrocatalysts are not economically viable because of the high cost and scarcity of Pt. This project proposes to tackle such a critical issue by developing high efficiency, cheap and earth-abundant cobalt, iron and carbon-based alternative electrocatalysts to replace Pt. A collective and coherent computation, control synthesis, mechanistic study and performance evaluation methodology will be developed to facilitate an effective and efficient investigation of these material systems. The methodology is capable of simply and effectively identifying the key factors affecting the electrocatalytic activities, revealing the inherent relationships between the structural characteristics and the electrocatalytic activity, predicting the surface atomistic and energetic properties best matching the high performance electrocatalyst, and providing invaluable information to enable high efficiency targeted control synthesis of high performance electrocatalysts. A green chemistry hydrothermal method capable of utilizing biomass (e.g., grass, agriculture grain stalk stalks, tree leaves etc.) as the reactants will be developed to achieve the targeted control synthesis of carbon-based electrocatalysts. A novel vapour phase hydrothermal method will be developed to achieve the targeted control synthesis of cobalt and iron based electrocatalysts. The success of the project will make a concrete step forward towards the economically viable large-scale production and applications of fuel cells and DSCs.

燃料电池和染料敏化太阳能电池(DSCs)是二种最接近实用化的清洁能源技术，在诸多领域广泛应用。目前这两种技术几乎无例外的都采用基于铂的电化学催化剂。虽然铂具有优异的电化学催化性能，但其固有的昂贵性及稀有性极大地限制了燃料电池和DSCs的大规模生产应用。本项目针对上述重要需求，研究可替代铂的，具有高催化活性、低成本、来源丰富的，铁、钴、碳基材料的非铂电化学催化剂。拟采用理论计算-结构设计-可控合成-机理研究-性能评价的系统研究方法，揭示影响铁、钴、碳基材料的电化学催化剂的物性及其结构的本质因素，确定其作为高效电化学催化剂的最有效表面原子及能级结构，发展可利用生物质（如：草、秸秆、树叶等）为原料的水热及气相水热的原位绿色合成方法，实现对表面原子及能级结构的调制，并可控合成高效非铂电化学催化剂。本项目的实施将促进清洁能源技术的发展和普及应用。

电化学催化剂在清洁能源技术中占有重要地位。然而，目前已发展的高效燃料电池及染料敏化太阳能电池(DSC)几乎都采用铂电化学催化剂，其固有的昂贵性及稀有性极大地限制了燃料电池和DSCs的大规模生产与应用。因此，发展可用来替代铂的、具有高催化性能、低成本并有丰富来源的非铂电化学催化剂将会极大地促进燃料电池及DSCs的大规模生产与应用。本项目的研究内容与成果主要包括以下三个方面：首先，在碳基电化学催化剂设计合成方面，利用生物质天然富含N、S元素的特点制备了一系列N掺杂以及N、S共掺杂碳基电化学催化剂材料；采用第一性原理，系统研究了N、S掺杂、共掺杂及掺杂量对碳材料电荷及电子自旋密度分布的影响，并用以指导ORR催化剂材料的功能化设计；揭示了碳基电化学催化剂材料N、S共掺杂及孔结构构筑与催化活性的关联，为发展高效碳基电化学催化剂提供依据。其次，在非贵金属铁、钴、镍基电化学催化剂材料设计方面，采用新发展的气相水热法原位控制合成了多种Co、Fe氧化物/碳复合物，Co、Fe硫化物/多孔碳体系催化剂；以金属有机框架材料为前驱体制备非贵金属钴基以及钴镍基多功能复合电极材料，并对合成的目标催化剂展开电化学性能评价、优化，揭示了影响铁、钴、碳基材料的电化学催化剂的物性及其结构的本质因素，确定其作为高效电化学催化剂的最有效表面原子及能级结构；结果表明，所设计的催化剂材料氧还原电催化性能与商品化的Pt/C电催化剂接近，且对甲醇等燃料分子的抗交叉干扰能力和稳定性均优于Pt/C电催化剂。另外，最后，在染料敏化太阳能电池方面，成功地制备了单晶NiS纳米片膜、S掺杂的Co3O4纳米结构膜、碳纳米点可以作为光敏剂敏化TiO2纳米粒子光阳极、水热制备Nb3O7(OH)和Nb2O5纳米线组装的超结构电极用于DSSCs等，用于染料敏化太阳能电池和锂离子电池，可替代商业化染料和Pt基DSSCs催化剂。本项目的实施将促进清洁能源技术的发展和普及应用。