金属纳米簇基复相催化剂可控合成与性质研究

It has long been a challenge to create excellent electrocatalysts for proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) simultaneously possessing high metal loading (20-70%), high metal dispersion, controllable compositions and structures of metal and alloy nanoclusters, excellent mass transfer performance, outstanding catalytic activity and high durability in the electrochemical oxygen reduction and methanol oxidation reactions. This project is going to develop high quality fuel cell catalysts with high metal loading and high metal dispersion, which is of significance for the real applications but can hardly be prepared by traditional catalyst preparation methods. We will develop new nanostructured fuel cell catalyst supports, and immobilize structure-controllable “unprotected” metal and alloy nanoclusters on these supports, in order to solve the aforementioned problems in the fabrication of high quality fuel cell catalysts. Based on the development of structure-modulation methods, we will pay efforts to investigate and distinguish the influences of the support structure, metal particles size, alloy composition and structure on the catalytic properties, providing a scientific basis and critical materials for developing high quality PEMFC catalysts.

同时赋予质子交换膜燃料电池催化剂高金属载量（20-70%）、高金属分散度、可控的金属及合金纳米簇组成与结构、优良的传质性能、突出的氧还原和甲醇氧化反应电催化活性和稳定性，是催化剂研究领域的一个挑战性课题。本项目将在以往研究基础上，致力发展高金属载量、高金属分散度、组成与结构可控的高性能燃料电池催化剂。此类催化剂具有重要实用价值，但难以采用传统的合成方法制造。我们将发展新型纳米结构燃料电池催化剂载体材料，使之与结构可控的“非保护型”金属及合金纳米簇复合，以求解决前述在高性能燃料电池催化剂制造方面所存在的难题。我们将在发展催化剂结构调控方法的基础上，系统研究并区分金属尺寸、表面结构、合金组成、金属与载体相互作用等因素对电化学氧还原、醇氧化等过程催化性能的影响，为高性能燃料电池催化剂的研制提供关键材料和科学基础。

本项目按计划开展了高性能燃料电池催化剂研制工作，全面完成了预定研究任务，实现的预期目标。我们成功研制出金属载量高、金属分散度好（Pt基金属纳米簇平均粒径2-4 nm）、组成和结构可控的高性能金属纳米簇基燃料电池阴极催化剂，实现了宏量制备。基于系统的结构表征和催化性能研究，增进了对上述催化剂构效关系以及催化氧还原反应机理的理解。我们首次研制出了稳定性高、尺寸小，组成可控的“非保护型”PtCu合金胶体纳米簇，据此研制的PtCu合金催化剂对氧还原反应的催化剂活性高达1.59 A/mgPt；发现了所制备催化剂对ORR反应具有“金属-载体协同催化效应”。研制出了稳定性突出、对氧还原反应催化活性高（320 mA/mgPt）、金属载量适宜(Pt: 42%) PtIn/In2O3等金属氧化物负载铂基合金纳米簇等催化剂。基于系统的时间分辨原位XAFS和UV-vis谱表征研究，阐明了所发明“非保护型”金属纳米簇的详细形成机理。本项目研究成果为发展高性能燃料电池催化剂提供了关键材料和新的基础。项目执行以来，共发表学术论文10篇，申请中国发明专利5件, 获授权中国发明专利1件。项目组成员在国际国内学术会议上作报告10次, 组织召开了中日燃料电池催化剂体系学术研讨会。