《低鉑高穩定高活性燃料電池催化劑研製》是依託廈門大學，由陳秉輝擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：低鉑高穩定高活性燃料電池催化劑研製
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳秉輝
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
質子交換膜和直接甲醇燃料電池是汽車工業擺脫石油依賴且環保的根本措施，但它的陰極鉑基催化劑粒度較大、暴露比小引起的活性不足，使其能量和電壓都偏離理論值尚遠；而其穩定性欠佳也制約其廣泛套用。單層薄膜保護法能製得粒徑和分布可控、團聚趨勢受擬制的細粒鉑基催化劑，比純鉑和按傳統法製取的多組分鉑催化劑穩定性更好、效率更高，而且還有經得起一氧化碳毒物的優點。鉑是稀缺資源，減少鉑用量、提高其使用效率和增進穩定性，是該電池催化劑需要越過的主要障礙，上述措施正可實現這樣的目標。它來源於尺度效應引發的助催和雙功能協同作用，而與上述細顆粒前體相適配的預處理載體的有效組裝，可以充分發揮該功效並期望有更好的穩定性。該措施還可指導高活性、長壽命的二元甚至多元工業催化劑的研製，是對傳統催化研究和製備法的突破，既有經濟上的價值，又有學科建設的長遠意義。
結題摘要
質子交換膜和直接甲醇燃料電池是新能源的代表。然而，其催化劑多以價格昂貴、資源稀缺的貴金屬鉑為主要活性組分，且易失活，這制約著燃料電池的產業化，本研究主要貢獻如下： 一，採用“受保護成熟前體-組裝-受控熱處理”技術製備了粒徑較小、組成可控和高分散性的Pt100-mAum/C催化劑粒徑。XRD表徵結果及計算的晶格常數表明了PtAu具有均相合金性質，該合金相態不同於巨觀體系中的不相溶相態規律。該工作也從實驗上證明了，在巨觀體系中晶格常數差異較大的雙金屬體系，通過製備工藝的最佳化可製備新的納米尺度上的合金。 二、PtAu雙金屬的尺寸均一，組成可控和均相合金性質為建立雙金屬組成與催化活性的關係提供了優質的材料基礎。在此基礎上，以甲酸電催化氧化為探針反應，發現催化劑Pt50Au50/C的催化活性最優，是商業Pt/C催化劑的8倍。該活性的提高根本原因是體效應的作用，而非雙金屬協同作用。而且，對經熱處理後的Pt50Au50/C催化劑進行電化學測試、TEM、XPS和XRD表征，結果表明甲酸的電氧化活性與催化劑的合金和相分離性質強烈相關。其中經600℃熱處理的Pt50Au50/C催化劑活性是商業Pt/C催化劑的11倍，且具備優異的穩定性能。 三、Aucore@Ptcluster/C電催化劑上的甲酸氧化行為與Pt的分散度息息相關。具有高Pt分散度的Aucore@Ptcluster/C在低電位區域對甲酸氧化反應活性高，以甲酸直接脫氫氧化生成CO2的反應為主；但隨著Pt分散度逐漸降低時，甲酸氧化反應經由毒性CO中間產物途徑變得更加明顯，且主要在高電勢區域進行。 四、提出了催化劑設計和催化的一些新概念與新方法，並基於多組分金屬中協同催化和選擇性調控的需求，通過置換法合成超低量Pt修飾PdAu/C和超低量的Pd修飾的Fe/C催化劑。CO溶出電化學實驗結果表明在PdAu合金核表面上已生長出鉑簇。其中Pt修飾PdAu/C(摩爾比，Pt/Pd=1/100)的電化學活性是商用Pt/C催化劑的87倍。這主要歸因於：在超低Pt濃度條件下，表層的Pt原子被有效的孤立進而促進直接氧化途徑的發生，抑制毒化物CO的生成；其次，表層的Pt與核心Pd金屬對甲酸都具有脫氫氧化能力，實現了內外雙活性中心的設計， 而亞核殼結構的Pd-Fe/C催化劑對甲酸的活性是Pd/C 催化劑的11倍，是商業Pt/C的69倍。
