一维超细低铂催化剂的近表面结构调变及其电催化性能研究

With the well development of nanoscience and nanotechnology in the past two decades, it is still remain a challenge in precise synthesis, chemical functionalization of surface and inter-surface structure and improvement of intrinsic physical properties of materials. In this project, we propose a facile templated method to control synthesis of PtNi and PtCo catalysts with different structure, such as ultrathin alloy nanowires, open structured porous nanotubes and ultrathin core-shell nanowires/nanotubes. Basing on the ultrathin size of the catalysts and thus size shrinkage effect, adsorption ability between the surface and the reactants and electron transferring between the surface and the reactants, we would design and regulate the near-surface structure of catalysts rationally with different composition and structure to improve their electronic structure. Moreover, combining the theoretical calculation and catalytic tests, we would explore effect of the atomic arrangement, chemical composition and interface between the surface and subsurface on Pt electronic structure to establish the relationship between the near-surface properties and catalytic performance, thus providing scientific reference for the design and synthesis of new efficient catalysts.

随着纳米结构材料研究的不断深入，精准合成技术、结构表面与界面的功能性调控以及材料本征物理性质的改善是解决纳米材料未来应用关键科学问题之一。本项目拟以燃料电池催化剂商业化为导向，以降低铂载量与提高铂利用率为目标，采用超细碲纳米线为模板的化学转化法，发展不同结构PtNi与PtCo催化剂的精准合成技术，包括：超细合金纳米线、开放结构的多孔纳米管、核壳结构超细纳米线/管；基于超细催化剂的超细尺度和尺寸收缩效应、催化剂表面与吸附物种间的物理化学吸附作用以及催化剂与吸附物种间的电子转移性质，理性设计与调控不同组成与结构的催化剂的近表面结构，进而调控催化剂的电子结构；结合理论计算与系统的性能测试，探索不同结构催化剂的表面与亚表面的原子排布、化学组成与界面对Pt电子结构的影响因素，建立近表面物性与催化性能的相互作用规律，为新型结构催化剂的设计提供指导。

新能源技术的开发和利用是应对能源短缺和环境污染等全球性问题的重要途径。电催化材料对燃料电池实现化学能高效转化至关重要，理性开发高效、低铂合金电催化材料是解决这一难题的重要途径之一。电催化材料的表界面是反应中间体发生吸附、键合、转化、脱附等关键反应过程的主要场所，其结构设计和精准构筑对发展新型、高效的低铂合金电催化材料体系至关重要。基于此，本项目发展了一种高质量电催化材料的普适性、连续制备方法，建立了一系列二元、高活性一维结构模板材料的宏量制备方法，为一维低铂电催化剂的开发奠定了材料基础；通过改变溶剂介电常数、前驱体电势位差和吸附离子种类等实验条件，优化反应动力学参数，调控材料的成核模式与生长模式，最终实现了包括一系列多元合金、颗粒纳米线、节点结构、开放结构等在内的多种高质量低铂电催化剂的可控制备；结合显微学表征和原位谱学表征技术，系统研究了低铂电催化剂在电催化反应过程中表界面物性的演变过程，阐明了低铂电催化剂表界面微结构与电子效应、应力效应、界面协同效应及电催化性能之间的构效关系。