纳米多孔镍基复合材料的结构调控及其性能研究

In this proposal, nanoporous Ni-based composite electrode materials with high specific surface area, promising catalytic performance and good stability will be fabricated by dealloying method associated with hydrothermal synthesis technology. The formation and evaluation mechanism of nanoporous Ni structure as well as the growth of polymers on the surface during the dealloying procedure will be investigated. The effect and rules of the factors such as composition, pore size, and interfacial structure on the elecgtrocatalytic oxygen reduction behaviors of nanoporous Ni-based composite electrode materials in alkaline fuel cells will be revealed. Based on above work, the performance of alkaline fuel cells will be enhanced via adjusting and optimizing the nanostructures of the new electrode materials. We believe that the results of this research would be significant for the complement of the dealloying theory.Meanwhile, the development of nanoporous Ni composite electrode would provide an chance to replace noble metal using in the fuel cells, which could probably enhance the Ni unitilzation in Xijiang provice.The theoretical and technical breakthrough on nanoporous Ni composite electrode materials in our study would give a great contribution for the industrialization of green energy and sustainable development of Xinjiang economy.

本项目拟采用去合金化与水热合成相结合的方式，通过技术条件控制合成具有高比表面、高催化活性和高稳定性的纳米多孔镍/聚合物复合电极材料。研究脱合金过程中纳米多孔镍结构的演变规律以及聚合物在纳米多孔镍上的负载生长机制。阐明复合物的组成、纳米多孔结构的尺度和界面结构特征等因素对该电极材料在碱性燃料电池中氧还原电催化性能的影响规律，并通过优化材料结构提高其在碱性燃料电池中的性能（功率、稳定性等）。此项研究的开展对于丰富和完善去合金化制备多孔金属理论，开发高效稳定的纳米非贵金属/聚合物电极材料取代贵金属，提升新疆乃至全国镍资源利用水平，促进绿色能源领域产业化与新疆经济可持续发展，具有重要的科学价值和现实意义。

探索高效稳定的镍基复合材料的设计和制备，既提高镍催化剂的导电性又增加其催化活性。本项目按计划结合去合金化和电沉积技术探索具有开放结构的纳米多孔镍基复合电极材料的制备方法，并测试其电化学性能。首先利用乳液合成法制备了浸润性质不同的聚苯胺，分析了其理化性质及微观结构，为如何控制乳液合成PANI提供了一个借鉴的思路，满足PANI在多领域的应用；其次依据合金相图，制备出不同合金组分的NiAl、NiMn合金材料并研究多孔镍的孔道结构的生成机理，结果表明Ni33.5Al66.5得到的纳米多孔镍形成了双模式通道分布的连续韧带—通道结构，具有比表面积高、导电性好、响应时间短等优良特性，该薄膜中镍组分与氧化镍之间能产生协同作用，从而提高催化性能；进而，在多孔金属衬底表面负载可控数量的镍纳米氧化物，得到了比表面积大、表层结构可控、电容性能优良的纳米多孔复合电极材料，但是其持续的氧还原能力较弱。基底材料独特的连续开放多孔结构，抑制了颗粒间的团聚、提高了NiO的比表面积，增加了材料的氧化还原活性位点。为了提高复合材料的氧还原能力，以两相溶剂热法来合成油酸钠改性的催化性能优良且结构稳定的Ni-Al-LDH，依托电化学性能表征来评价复合材料的催化性能，合成的材料在三电极和水系非对称超级电容器体系下均表现出高的电容量，实验结果表明超薄和高层间距的NA-LDH-OA电极材料在储电和催化领域中有较大潜力。NA-LDH-OA的氧还原能力已通过实验验证有较大提高。本项目基本完成，符合结项要求。