新型杂化纳米电催化剂材料的设计合成及其在可再生型氢氧燃料电池中的应用

The exploration and design of cheap, highly active and long durability electrocatalysts to improve the rate of oxygen reduction reaction on hydrogen-oxygen fuel cell cathode and oxygen evolution reaction on electrolyzer anode is the key for the large-scale application of regenerative hydrogen-oxygen fuel cell (RFC). In view of current research status of RFC electrocatalysts, we want to synthesize five classes of novel hybrid nanomaterials, such as alloy and its chalcogenide nanoparticles-graphene sheet, graphene quantum dots-metal nanocrystals, new mesoporous carbon-metal nanocrystals, N-doped mesoporous carbon, and rare earth orthoferrite nanoparticles-graphene sheet, and use them as catalysts to catalyze the oxygen reduction or evolution reaction under different media. By optimizing their structures and adjusting the interactions of their components, the catalytic performance of the obtained hybrid nanomaterials are expected to be improved. Based on the experimental results, the possible catalytic mechanism will be provided. After a systematical investigation, we dream to find several non-platinium metal or metal free type electrocatalysts to substitute conventional electrocatalysts.

探索和设计廉价、高活性、长寿命的电催化剂来提高氢氧燃料电池阴极O2还原和电解池阳极O2析出反应速率, 是促使可再生氢氧燃料电池(RFC)走向大规模应用的关键。针对RFC中电催化剂研究现状, 本项目拟合成非Pt合金及其硫属化合物纳米粒子-石墨烯片、石墨烯量子点-非Pt金属纳米晶、新型介孔碳-非Pt金属纳米晶、N-掺杂的介孔碳、稀土铁酸盐纳米粒子-石墨烯片这五类杂化材料, 通过优化结构和调控组份间的相互作用, 提高这几类材料在不同介质中催化O2还原或析O2反应性能, 弄清相关的催化机理, 以期寻找出几种非Pt金属或无金属型催化剂来替代目前常用的催化剂。

为促进可再生氢氧燃料电池的商业化应用, 迫切需要发展高活性和高稳定性的非-Pt电催化剂, 来解决氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的缓慢动力学过程。本项目基本按照研究计划执行, 主要开展了非-Pt合金、金属氧化物、硫属化合物及氮化物与石墨烯(G)或其它碳纳米结构杂化电催化剂方面的工作, 取得了一些进展和初步成果: (1)合成了Cu NW-Ag NCs异质纳米结构、PdxAgy NCs、具有五重孪晶结构的Pd2NiAg NCs、网络状CuxPdy NCs、MnxPdy NCs等, 发现控制合金组份、孪晶和网络状结构的出现可增强ORR性能; (2) 借助静电组装和氢热还原策略, 得到了一系列G-MPd3 (M = Fe, Cu, Ag, Au, Cr, Mo, W)纳米复合物(NCPs), 发现G-FePd3 NCPs具有最佳的ORR催化性能; (3) 采用分步合成再组装的策略, 得到了一系列G-CuxPdy、G-NixPdy和rGO-CoxPdy纳米杂化体(NHs), 发现G-Cu3Pd NHs电催化ORR性能最佳, rGO-CoPd NHs 具有ORR和HER双功能催化活性; (4) 合成了Co@ N-C核-壳NHs, 发现其Co-Nx活性中心的结构影响其ORR活性和选择性; (5)合成了一系列超小AB2O4 NCs/C NHs, 发现AB2O4 NCs中B位离子eg轨道电子数和A位离子电子结构影响NHs的ORR活性和选择性；(6) 合成了一系列珊瑚状M2P2O7 NCs @超薄C核-壳 NHs, 发现Co2P2O7 NCs@C电催化OER性能最佳, 可媲美商业IrO2催化剂; (7)合成了Ni3N/N-G、Fe3N/N-G、Ni3FeN@Ni3N/N-G和Ni3FeN/N-G NHs, 发现富含孪晶和晶粒边界的Ni3FeN/N-G NHs具有最佳的电催化OER性能, 优于商业IrO2催化剂；(8)在合成的一系列金属硫属化合物纳米结构中, 发现四方相Cu2Se纳米线的ORR活性和稳定性优于立方相; Cu2Co2S4纳米片具有优异的ORR和OER双功能催化活性。此外, 还合成了一些新颖的磷化物、硫化物及3D多孔杂化纳米建筑, 研究了其电催化或储能性能, 为杂化可再生H2-O2燃料电池系统的研究奠定了基础。