低铂纳米晶体表面活性位的化学调控与燃料电池应用

Platinum metal nanomaterials are the widely used eletrocatalysts for fuel cells. However, the limited resource and high price of platinum is becoming into the most important factor that restricts the development and commercialization of fuel cells. Therefore, research and development of low Pt catalysts have become the hot research topic in the fuel cell field. Today, the research of low Pt catalyst is ushering in a new era and the researches focus on strictly controlling the microstructure of catalyst in nanoscale, regulating the surface active site, enhancing activity and durability, screening the best catalyst corresponding to fuel, decreasing the platinum consumption and lowering the cost. Previous studies have shown that multielement low Pt nano metal materials with non-noble metal partial substitution can not only tune but also enhance the physical and chemical properties of nanomaterials, which attracted great attention of research groups at home and abroad. In the research project, we will use liquid-phase synthesis method to control the surface active site of low Pt nanocrystals with non-noble metal partial substitution through ligand effect, solvent effect, etc. and explore the effect of different factors such as solvent, small ligand, capping agent on surface active site of low Pt nanocrystals in the process of crystal growth. Through this study, we strive for a breakthrough on multielement low Pt catalyst with non-noble metal partial substitution.

铂金属纳米材料是燃料电池领域中广泛使用的催化剂。但铂金属催化剂由于成本高昂、资源稀缺等问题，已成为制约燃料电池技术发展和商业化进程的重要因素，因此，研究和开发低铂催化剂已成为燃料电池领域的热点研究课题。当前低铂燃料电池催化剂研究正迎来一个新时代，其特点是在纳米尺度严格控制催化剂微观构造，调控表面活性位，提高催化剂活性与耐久性，筛选与燃料相应的最佳催化剂，减少铂金属用量，降低成本。研究表明相对单元铂金属材料，利用铜、镍等非贵金属部分取代铂的多元低铂金属纳米材料不但能调变而且能增强材料的物理和化学性能，使得对多元低铂金属纳米材料的研究引起不同研究团队的极大关注。本项目申请拟利用液相法，通过配体效应、溶剂效应等手段可控调变非贵金属部分取代低铂纳米晶体的表面活性位，探索溶剂、小分子配体、封端剂等对低铂纳米晶体生长过程中表面活性位的影响，争取在非贵金属部分取代低铂纳米催化剂的研究上取得实质性突破。

铂金属纳米材料是燃料电池领域中阴极和阳极广泛使用的催化剂。但铂金属由于资源稀缺、价格高昂等问题，已成为制约燃料电池技术的发展和商业化进程的重要因素，因此，研究铂纳米材料的表面结构与性能之间的关系对于指导合成高性能的低铂纳米催化剂具有重要的基础研究意义。本项目经过四年的研究，在铂纳米材料的合成与构效关系研究主要取得了如下的进展：（1）、成功合成了10 nm以下均匀的低铂PdCuPt二十面体孪晶，铂的原子比含量在10%左右。生长机理研究发现在成核阶段孪晶就已形成。在70 °C下，在PdCuPt合金二十面体上可以实现丙三醇C-C键的断裂，并将之转化为CO2，完全释放出化学能，提高了含能分子丙三醇的利用效率，质量活性可以达到13.7 A mg-1，同时PdCuPt合金二十面体拥有优异的耐久性和抗CO中毒性能。构效关系研究发现孪晶界、低配位原子等表面活性位和电子效应对性能增强起到决定性作用。（2）、利用晶种法合成了表面成分可调的中空PtCu八面体纳米合金，该中空结构的壁约2.1 nm。在碱性条件下，Pt44.1Cu55.9/C 的氧还原质量活性可以达到2.60 A mgPt-1，是商业Pt/C黑的18.5倍；在10000圈的耐久性测试中，其表现出优异的稳定性，质量活性可以维持1.61 A mgPt-1。（3）、发展了一种制备三元PtCuCo、二元PtCu和PtCo纳米链的通用合成方法。结构表征和生长机理研究发现PtCuCo纳米链由尺寸在5.0 nm左右的多面体自组装而成。在60 °C，在甲醇燃料电池的使用温度范围内进行了甲醇的电氧化性能研究。Pt45Cu35Co20纳米链对甲醇氧化表现出优异的活性和耐久。构效关系研究表明高浓度的表面活性位、应变效应和协同效应对催化性能的提升起到关键作用。.经过4年的研究，所取得研究结果在国内外重要学术刊物（如Advanced Functional Materials, Nature Communications, Advanced Energy Materials等）上发表15篇论文，授权发明专利2项。参加1次国际会议并做报告，课题组成员参加国内会议5人次。项目负责人于2017年入选中组部“西部之光”访问学者,2018年入选贵州省“优秀青年科技人才”。培养毕业硕士研究生6人，5人在读。总体来说，按照项目计划完成了任务。