燃料电池催化剂的理论设计、模型评估与可控制备

革新催化剂是燃料电池实用化的关键之一，也是电化学科学面临的重要挑战和机遇。当前燃料电池催化研究正迎来一个新时代，其特征是理论计算与实验研究日趋紧密地结合，全新的催化剂研发思想不断产生。为使我国在这方面跻身国际前沿，我们拟建立"理论设计-模型评估-可控制备"紧密结合的燃料电池催化剂创新研发构架，高效地开展新型催化剂研究。工作模式是先运用理论计算预测高性能催化表面；然后采用模型电极进行电化学评估，反馈修正理论设计；对优选的结果则通过纳米材料的可控制备获得实用催化剂。研究对象主要包括高选择性氢氧化催化剂和高活性与稳定性氧还原催化剂，同时探索反应途径可控的有机小分子氧化催化剂。将利用配体效应、变形效应、几何效应等可控调变催化表面的反应性、稳定性与选择性。争取在低铂和代铂催化剂研究上取得实质性突破，并获得通过表面电子结构剪裁调控催化剂性质的系统理论知识及实验方法，为新一代燃料电池技术提供科学支撑。

1、通过理论计算和模型电极实验，获得催化表面的结构-性质及性质-活性关系，发展了“理论设计-模型评估-可控制备”相结合的燃料电池催化剂研究方法，以此指导纳米催化剂研制。 .2、发现AuCu金属间化合物表层覆盖1~2层Pt原子的结构可获得0.56 A/mgPt@0.9V的氧还原催化性能，Pt利用率是现有商用Pt催化剂的5.6倍。发现Au基底表层覆盖1层Ag原子的结构可将Ag的氧还原催化活性提高5倍。 .3、通过引入Ni2P等协同促进C-H键断裂的组分，使Pd的甲酸氧化催化性能提升3.5倍，相应的直接甲酸燃料电池功率密度达550mW/cm2。制备出多种具有台阶晶面的小粒径铂族金属纳米晶，原位红外光谱结果表明台阶晶面可促进C-C键断裂。 .4、提出热软度和化学振幅两种定量分析催化剂表面反应性的理论方法。局域热软度分析可获得催化剂表面活性位点的空间图像；化学振幅与键能存在定量关系，由此可判断特定表面与特定吸附质之间的相互作用强度。