新型稀土/金属离子掺杂Ta2O5纳米电极材料的制备及在燃料电池中的应用

本项目拟研究在五氧化二钽中添加稀土/金属离子，制备得到具有良好氧还原催化活性和电化学性能的RxMyTa2-x-yO5(R-La、Tb、Eu、Ce，M-Pd、Ag、Au)新型纳米功能材料，并作为铂基阴极氧还原催化剂的替代品应用于廉价、性能良好的质子交换膜燃料电池的研究和开发。主要采用水热法、溶胶－凝胶法、原位合成等方法制备粒径均匀的RxMyTa2-x-yO5电极材料，利用X-射线衍射、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜、伏安法及电化学阻抗谱分析法等方法对产品的晶相、形貌、表面结构、微观结构、粒径大小、电化学性能等进行测试分析。本项目制备的RxMyTa2-x-yO5电极材料有利于克服使用铂基氧还原催化剂为主的燃料电池价格昂贵、资源匮乏、催化剂利用率不高等缺点，对降低燃料电池的成本、改善催化剂的性能、促进PEMFC的商业化有非常重要的意义。

该研究项目利用低温水热法制备了稀土元素（La, Ce, Eu, Tb），金属离子（ Pd, Au, Ag）掺杂的Ta2O5电催化剂，用作质子交换膜燃料电池阴极氧还原电极材料，五氧化二钽有良好的化学和热稳定性，不溶于通常的酸和碱，除氢氟酸外，适合质子交换膜燃料电池的酸性或碱性的工作环境。采用X-射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、循环伏安（CV）、交流阻抗（EIS）以及热重分析（TGA）技术对得到的样品，进行了晶相、形貌、电化学特性以及热稳定性分析表征，利用X-光电子能谱（XPS）测试了掺杂原子的价态。掺杂后Ta2O5仍有良好的化学稳定性和热稳定性，掺杂没有改变Ta2O5的晶相，仍属于斜方晶系，并且掺杂物种在XRD图中没有特征峰，一个原因可能是掺杂量少，另一个原因可能是掺入的物种掺入Ta2O5晶格中。在K3Fe(CN)6溶液中循环伏安结果显示，掺杂Ta2O5膜电极比纯Ta2O5膜电极电位差低，过电位降低的这一现象，说明掺杂提高了Ta2O5膜电极的电化学可逆性。研究了制备的掺杂膜电极在硫酸体系中对氧的还原作用，研究结果表明掺杂Ta2O5膜电极对阴极氧还原有良好的电催化活性。此外，制备研究了稀土元素/金属离子共掺杂的膜电极的电催化活性。利用密度泛函理论计算分析了掺杂稀土元素、金属离子对Ta2O5微观结构的影响，进而解释了掺杂对Ta2O5导电性和电催化活性的影响。即掺杂后使Ta2O5在费米能级附近出现了新的杂质能级，费米能级上移到导带底，掺杂原子的电子大部分游离于Ta2O5晶格中，导带底部分充满电子，增强了Ta2O5的导电性，同时带隙变窄，提高了Ta2O5的电催化活性。.完成了预期目标，发表SCI收录论文3篇，其中1篇为SCI一区收录，发表EI收录论文3篇，此外，有2篇论文在整理、撰写投稿中。参加国际会议2次，在会议上做了口头报告，报告内容及结果引起许多专家的关注，认为该课题继续深入很有意义。参加7次国内会议，做口头报告4次，墙报2次，做邀请报告1次，报告内容得到参会专家的肯定。培养研究生4名，其中2名优秀毕业生，1名获得国家奖学金。