介孔金屬薄膜的微結構調控及其電催化性能研究

《介孔金屬薄膜的微結構調控及其電催化性能研究》是依託中國海洋大學，由黃明華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：介孔金屬薄膜的微結構調控及其電催化性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：黃明華
• 依託單位：中國海洋大學

中文摘要

燃料電池被認為是未來電動汽車的電源，氧還原電催化劑可顯著提高燃料電池的性能。但催化劑Pt價格昂貴且供應有限，目前常用的Pt基顆粒催化劑中Pt用量比較大而且容易發生團聚和遷移，這些因素阻礙了燃料電池商業化的進程。本項目擬首先製備出高比表面的介孔金屬Pd、Au和Pd-Au合金薄膜，然後採用欠電位沉積法在單原子層水平上沉積單層Pt而調控這些介孔金屬薄膜的微結構，實現Pt利用率的提高和用量的最小化。考察介孔金屬薄膜和單層Pt原子之間的相互影響關係（如電子和幾何效應），分析介孔薄膜催化劑表面原子的電子結構改變對催化活性的影響，為未來發展更加高效穩定的電催化劑提供新思路。期望通過用少量的Pt（僅單層），顯著地提高薄膜催化劑的活性，這對於實際催化劑的設計將有所裨益，因為它可以極大地減少貴金屬Pt的用量而降低燃料電池成本。

結題摘要

氧還原反應催化劑是燃料電池的關鍵材料之一，理性設計高性能氧還原電催化劑具有重要科學意義和實用價值。目前常用的碳載Pt基顆粒催化劑價格昂貴且供應有限，而且穩定性比較差，這些因素阻礙了燃料電池商業化的進程，因此，高效穩定、低成本的氧還原電催化劑的構建對於燃料電池至關重要。本項目主要設計發展了一系列Pd基及過渡金屬基催化劑新材料，開展了抗甲醇毒化、穩定性測試等研究，通過精心調控催化材料的精細結構，實現了催化氧還原性能的提高最佳化。主要取得了如下重要進展：首先在模板劑作用下，採用電沉積技術製備了Pd金屬薄膜催化劑，發現通過調控金屬Pd的薄膜生長，可實現電催化氧還原性能提升。同時以二維Pd金屬納米片為載體，開發了具有核殼結構的Pd/PtCu催化劑，考察了該催化劑的氧化原性能、甲醇氧化性能以及催化劑穩定性，其中氧還原的比活性和質量活性達到6.39 mA cm-2和2.50 AmgPt-1，分別是商業Pt/C的18.2 倍和8.3倍。在穩定性測試中，30000圈的循環測試之後，氧還原的面積比活性和質量比活性的損失分別只有27%和32%，遠低於商業化Pt/C（損失分別70%和81%）。通過Pd金屬微結構的調控，實現了Pt利用率的提高和用量的最小化，研究了金屬Pd和單層Pt原子之間的相互影響關係（如電子和幾何效應），分析了該催化劑表面原子的電子結構改變對催化活性的影響。此外構築了介孔碳支撐的Pd納米粒子催化劑及過渡金屬氧化物/空心碳球基等陰極催化劑新材料，展現出較為優異的催化氧還原活性和良好的穩定性，顯著降低了催化劑的成本，闡釋了催化劑的構效關係。總之本項目為構建和研發未來新型低成本陰極氧還原電催化劑提供了一定的理論基礎和新思路。