质子交换膜燃料电池梯度铂纳米线电极结构、性能及其机理研究

Due to their rich low energy Pt (111) facets and one-dimensional crystal structure, Pt nanowires as a PEMFC catalyst have certain advantages in electrocatalytic activity and durability. The purpose of this study is to investigate the growth rules and morphology control of Pt nanowires on the carbon substrate, and the method is applied to a gradient Pt distribution in the catalyst layer of PEMFC electrodes. On the nanometer scale, our work mainly focuses in in-situ Pt nanowire growing dynamics on different substrate materials and surfaces,Pt nanowires’ structure and morphology, and examines their effects on the electro-catalytic activity of oxygen reduction reaction (ORR). On the micron scale, the research is focused on Pt nanowire gradient distribution and pore structure in PEMFC electrodes, which affect the electrode kinetics and oxygen diffusion. Scientific significance of this study is to: 1) to provide a novel self-assembled method that can synthesize Pt nanowires with controllable morphology and structure in the adjustable substrate layer; 2) adjustable substrate materials provide a convenient for preparing a specific morphology or ORR favorable crystal orientation of Pt catalysts, helping to enrich potential understanding of catalytic oxygen reduction; 3) the achievements on mass transfer and electrode kinetics in the gradient Pt catalyst layer alone the thickness direction, not only have practice application value for the ultra-low Pt loading electrodes, but also give contribution for the theory of the film chemical reactors.

由于丰富的低能量Pt（111）晶面和一维结构，Pt纳米线作为PEMFC催化剂在活性和耐久性方面具有一定优势。本课题目的是探讨Pt纳米线在碳基底上生长规律和形貌控制，并将该方法应用于Pt梯度分布PEMFC电极，简称Pt纳米线。在纳米尺度上，主要研究Pt纳米线在不同基体材料和表面上的生长动力学、结构和形貌，并考察与氧还原电催化活性之间关系。在微米尺度上，则侧重于研究PEMFC电极中Pt纳米线梯度分布和微孔结构对氧扩散和电极动力学影响。本课题的科学意义在于：1）提供了一条在碳粉基体层中可调控形貌和结构的Pt纳米线自组装合成新途径；2）可调的基体材料为制备特定形貌或对氧还原有利的晶面取向Pt催化剂提供了便利，从而有助于丰富对氧还原电催化认识；3）对催化剂沿厚度方向梯度分布催化层中传质和反应研究成果，不仅对超低Pt载量电极具有实际应用价值，而且对膜化工反应器理论也会做出有益贡献。

氢燃料电池是一项绿色、无污染能源技术，它可以高效利用可再生能源，低碳环保，是世界各国十分重视的新兴产业。氢燃料电池面临的一项主要挑战是在满足商业化应用条件下，降低稀缺贵金属铂的用量。近年来，我们团队首次提出了质子交换膜燃料电池（PEMFC）电极新结构―Pt纳米线电极，即在碳粉基体上原位沉积生长Pt纳米线，制备Pt纳米线电极的新概念，并从机理研究和实际应用两个方面开展系统探索研究。.在本课题中，我们开展了Pt纳米线生长基体和种子的作用机制研究，还尝试了外加电场影响研究和Pt纳米线电极制备工艺优化，在此基础上成功进行了工艺放大实验和电堆验证，最后从一个燃料电池发电-热电联供案例出发，进行了技术经济应用分析。.研究发现，在甲酸还原氯铂酸的Pt纳米线生长过程中，还原剂浓度和反应温度对Pt-NWs形貌和分布的影响呈现出不同规律。明确提出了还原剂浓度影响Pt-NWs的长度，而温度升高会导致Pt-NWs的直径增加，从10 ℃下2-3 nm至40 ℃下4-5 nm。研究还率先提出，铂粒子（种子）提供还原和沉积场所，促进铂前驱体形成新的铂，几乎是原子逐层单体加成在微晶表面产生稳定的形貌。在湿法化学还原合成纳米线方法基础上，第一次提出了调控电场获得特定纳米结构，电场在0.35V存在一个重要的分界点，随着电位增加，Pt纳米颗粒从结晶较好的纳米线，到颗粒度增加、结晶完整性变差。.通过以上创新研究工作，实现了Pt高活性晶面(111)最大化和电极结构有序化，取得了在较低Pt催化剂载量下优于目前广泛使用的商业电极性能的优良效果，证明了Pt纳米线电极技术可行性和先进性。本课题研究工作在方法论上，对纳米结构精细调控和形成机理研究，具有十分重要科学指导意义。