多组分协同团簇基新型PEMFC催化剂研究

This proposal addresses the practical problems of low platinum and non-precious metal catalysts (NPMCs) in PEMFCs. We here propose a novel type of multi-component composite catalysts, in which ultralow loading of platinum can be achieved through utilizing Pt based nanoclusters (Pt-NCs). The Pt-NCs are matched atomically with NPMCs, with the two components work synergistically. Through combining the theoretical calculations and advanced characterization techniques, we aim at gaining deep understanding about the interaction between Pt-NCs and NPMCs, the reaction mechanisms, and thereby propose an optimized model for building highly efficient catalysts. Through perfectly matching Pt-NCs and NPMCs, hopefully, problems including low catalytic activity, poor mass transfer, poisoning, and poor stability can be solved through synergistic effect, thereby providing a scientific basis for the development of next generation PEMFC catalysts.

本项目针对PEMFCs低铂、非贵金属催化剂面临的实际问题，提出新型多组分协同团簇基复合催化剂，以团簇实现极低铂用量，匹配以高度毗邻的有效催化成分，丰富团簇基催化剂的相关功能，实现协同电催化，使之更加适合不同催化反应的特殊要求。结合最新成果、量化计算、分子模拟及先进表征手段深层次认知协同催化机理及本质规律，探明协同效应的相关因素及彼此的适配性等关键，提出多组分协同团簇基催化剂优化模型，开辟破解低铂、非铂催化剂面临的低活性、慢传质、易中毒和稳定性差等实用难题的新途径，指导有效匹配协同催化的设计方案和催化剂控制制备的实施路线，创制高效协同团簇基催化剂体系，为新一代PEMFC催化剂的开发提供科学依据。

质子交换膜燃料电池是新一代交通动力电源、不间断电源及宽功率范围的移动电子设备电源的重要选项。由于PEMFC为酸性介质，其电极反应（氧还原、氢氧化及甲醇氧化）均对贵金属铂有强烈的依赖性，这是成本高居不下、PEMFC产业化受限制的重要原因。据此，项目提出将低Pt和非贵金属二类催化成分高效匹配，针对各电催化过程匹配非贵金属催化有效成分，通过协同催化效应，实现优势互补，根据PEMFC各个反应特性需要，设计相应的复合催化结构并促进其发挥最大功效，解决低铂、非铂催化面临的活性、稳定性等实用难题。获得资助以来，各合作者围绕项目任务书中所制订的研究计划，基于原子级分散策略，通过单原子和团簇型多组分协同复合催化剂的控制合成、结构表征、催化位点结构与性能间的构效关系展开了系列合作研究，实现了项目目标，并取得了突破性进展，其中代表性亮点创新成果如下：.（1）颠覆传统的单原子弱吸附阳极抗中毒新体系：通过单原子催化剂活性中心设计，创制了系列高效阳极抗毒化催化剂，其不仅具有高效抗CO毒化能力，甚至可以直接使用CO进行发电，此类催化剂的大规模应用对于降低燃料电池的使用成本具有里程碑式的意义。.（2）吸附性质调控的高效阴极氧还原单原子催化中心：设计制备了系列FeN4、Pt-N、Ru-N4、Zn-N4、Cr-N4等单位点分散的高性能催化剂，实现了对催化中心的原子级别结构确认并厘清了服役现场演变机制，利用中心原子调变克服Fenton反应带来的不稳定性，获得高活性与稳定的催化剂体系，在燃料电池中性能接近传统Pt/C。.（3）确定原子个数的催化中心设计与构效关系：发现Co2N5OH，FeCoN5OH等双位点匹配协同利于大幅提升催化性能，为实用性Pt替代催化剂提供了新思路；研究了有限原子个数的Au25、Pd5等金属团簇的催化特性与聚集状态及其电子结构之间的依赖性关系，为设计新型高效催化中心提供了理论依据。