FePd-MnOx异质结构的合成及电催化特性研究

合成新型的非Pt阴极（氧气还原反应）催化剂材料对燃料电池的开发具有重要意义，如何降低催化剂的贵金属用量并提高其催化活性是该领域的重要研究问题。通过合金和金属氧化物形成的异质结构（非核壳结构）可以实现合金中各金属和氧化物之间的多重耦合协同作用，有望在合金高催化活性（前人研究结论）的基础上进一步提高电催化活性，同时，应用该异质结构体系可有效降低贵金属的用量。因此，本申请拟合成FePd-MnOx(MnOx=MnO, Mn3O4，MnO2)异质结构用作氧气还原电催化剂，联合胶体合成技术和晶种生长法调节异质结构的组成和各组分的尺寸，研究材料尺寸、组成及耦合协同作用对电催化活性的影响，遴选出该体系中具备最优催化活性的异质结构，探索材料微观结构和电催化性能的相关性，进而为开发新型高效的碱性阴离子膜直接甲醇燃料电池非Pt阴极催化剂材料提供新思路和理论支持。

主要完成的工作和取得的成果如下：.（1）由于O2/卤素离子腐蚀的影响，Pd孪晶结构的控制一直是一个挑战。本项目利用一系列能和卤素离子发生相互作用的有机小分子有效调节了O2/卤素离子的腐蚀能力，成功制备了高质量的五重孪晶Pd纳米线和单重孪晶Pd直角双锥，证实了制造更多的孪晶微结构有利于获得更高的催化活性。本工作为Pd纳米晶孪晶结构的控制和提高催化剂的活性提供了新思路。通过控制Au、Ag在Pd上的选择性生长，获得了Au-Pd、Ag-Pd异质结构，探索了他们催化硝基苯酚还原活性与其组成及微观结构之间的联系。.（2）利用化学势的梯度，将Pd源几乎完全注入多孔碳CMK-3的孔道中，获得了Pd/CMK-3异质结构催化剂，其对Suzuki反应具有很高的催化活性，证实了反应前超声可以有效解决多孔催化剂在液相反应中的传质问题。.（3）将上述方法结合晶种生长法，得到了FePd/CMK-3异质结构，通过简单改变投料比可以调节FePd合金的组成。.（4）液相合成介稳相Mn2O3单分散纳米晶十分困难。我们利用先氧化后还原的途径成功制备了高质量的Mn2O3八面体晶体，其作为锂离子电池的负极时，在大电流充放电条件下也具有较好的稳定性。.（5）在有机催化领域，MnO2的晶相很少被关注，弄清MnO2晶相和其催化性能的相关性非常重要。我们合成了纯净的α、β、γ和δ相MnO2，催化结果表明对醇的氧化反应而言，δ-MnO2具有最高的活性，而α-MnO2具有最好的循环使用稳定性。.（6）为解决Cu2O纳米晶成核难以掌控的问题，我们利用非均相成核的办法，将Au纳米棒作为核，成功获得了单分散的Au@Cu2O八面体核壳异质结构，通过改变Au的投入量可以较精确地控制八面体的尺寸，同时可以预测投入任意量的晶种时产物的尺寸。异质结构不同组分之间的相互作用有效提高了其催化性能。.（7）发表了4篇论文（Chem. Mater. IF=8.535；J. Mater. Chem. IF=6.626；2篇Nano Res. IF=6.963）。其中一篇（Chem. Mater.）被该杂志主编在题为“Highlights of 2014, Thus Far”的文章中作为亮点报道；另有一篇（J. Mater. Chem.）发表后被该杂志评为当月“Top-ten most read papers”之一。本项目共培养3名硕士研究生。