新疆煤基石墨烯负载铂复合材料的设计合成及甲醇氧化电催化性能研究

The development of the methanol oxidation electrocatalysts is one of the key factors for commercial application of direct methanol fuel cell (DMFC), which is the clean and efficient green energy device in the 21st century. At present, Pt based electrocatalysts are widely used. However, Pt resources are deficient, expensive, and the methanol oxidation of the intermediate product CO causes catalyst poisoning. As a result, the focus researches of DMFC concern that improving methanol anodic oxidation catalysis activities, stabilities and anti CO poisoning abilities. This project is closely around the the science and technology development plan of our country and Xinjiang region, in combination with the high added value of the major urgent need to use Xinjiang coal resources to prepared coal based graphene on the coal in Xinjiang as the carbon source. The as prepared coal based graphene acted as catalyst support, and on the basis of preliminary studies, introducing polyoxometalates (POM) into DMFC catalysts to build novel Pt/POM/coal based graphene composite catalyst materials. To establish the microstructure control method for this kind of materials, and intensively study the structure-function relationships between the compositions, structures and the methanol oxidation electrocatalytic properties. It can be looked at for effective improving catalytic activities, stabilities, anti CO poisoning, and utilization rate of the catalysts. The project is to explore new ideas for the research, development and application of high performance fuel cell catalyst materials.

直接甲醇燃料电池（DMFC）被称为21世纪清洁、高效的绿色能源装置，甲醇氧化电催化剂的发展是其商业化应用的关键因素之一，目前广泛采用Pt基催化剂，但Pt资源匮乏，价格昂贵，且存在甲醇氧化的中间产物CO造成催化剂中毒等问题。因此，有效提高Pt基催化剂甲醇氧化的催化活性、稳定性和抗CO中毒性能是DMFC发展的重点。本项目紧密围绕国家和新疆维吾尔自治区科学技术发展规划纲要，结合新疆煤炭资源高附加值利用的重大迫切需求，以新疆煤为碳源制备煤基石墨烯，将其作为催化剂载体，结合申请人前期研究基础，将多金属氧酸盐(POM)引入，构筑新型Pt/POM/煤基石墨烯复合催化剂材料，建立该类材料的微观结构控制方法，深入研究其结构、组成与甲醇氧化电催化性能之间的构效关系，以期有效增强催化剂的活性、稳定性，改善催化剂抗CO中毒性能，提高催化剂的利用率，为高性能燃料电池催化剂材料的研究、开发和应用探索新思路。

开发高效清洁能源是全世界科学工作者研究与开发的热点之一。直接甲醇燃料电池是一种以甲醇作为电池燃料的新型燃料电池，应用前景广阔。甲醇氧化电催化剂是直接甲醇燃料电池中的关键材料，目前广泛使用的是Pt基电催化剂。由于Pt存在价格昂贵、易受甲醇氧化中间产物CO的毒化、稳定性差等缺点，因而，提高Pt基催化剂的活性、稳定性，增强其抗CO中毒性能，是实现直接甲醇燃料电池商业化应用的关键问题。基于此，本项目开展以下工作：(1) 以新疆煤为原料，采用高温石墨化法制备煤基石墨，再采用改进的Hummers法，优化制备煤基氧化石墨烯的方法，探究预氧化温度、中温氧化时间等因素的影响，成功合成具有三维立体花状结构的煤基氧化石墨烯。(2) 将制备的煤基氧化石墨烯作为催化剂载体前体，探索微波反应法、热回流反应法、溶剂热反应法等不同的合成方法对制备的Pt基催化剂结构、性能的影响，得到优化的合成方法为溶剂热法。(3) 设计合成兼具离子液体高导电率和杂多阴离子强氧化还原性的离子液体-多金属氧酸盐，将其引入煤基石墨烯负载的Pt基催化剂，探究不同离子液体阳离子类型、不同杂多阴离子类型的离子液体-多金属氧酸盐对Pt基催化剂的甲醇氧化电催化性能的影响规律，且与以天然鳞片石墨为原料制备的石墨烯负载Pt基催化剂、不同多金属氧酸盐的类型影响因素进行对比，得到了相关有益规律及机理探索。(4) 由于合成的离子液体-多金属氧酸盐为不溶于水、乙二醇等溶剂的难溶盐，还探究了溶剂DMF对离子液体-多金属氧酸盐溶解的作用。本项目以国家在燃料电池方面的产业政策为导向，紧密结合新疆区域经济的特点，针对新疆当地煤炭资源的特性开展煤基石墨烯的相关研究工作，为煤炭资源的高附加值利用和燃料电池催化剂的开发应用奠定了一定理论基础。