《新型介孔膦酸鈷基電催化劑及其電化學析氧性能研究》是依託南開大學，由袁忠勇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：新型介孔膦酸鈷基電催化劑及其電化學析氧性能研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：袁忠勇
- 依託單位：南開大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目針對當前有機-無機金屬膦酸鹽析氧電催化劑研究中所存在的電化學活性較低、孔性差、比表面積低、結晶度不高、反應機理研究缺乏等科學問題，開展新型高效介孔膦酸鈷基電催化劑研究。在前期有關金屬有機膦酸鹽多孔雜合材料工作基礎上，對介孔膦酸鈷合成過程進行實時監測，研究形成過程和結構特性，在分子或原子水平上對形成機制和結構性能有更深入全面的認識，著力開發提高這類新穎雜合電催化劑孔壁結晶度和孔徑及孔結構的方法，製備出新型孔結構和高性能的介孔膦酸鈷材料。深入研究有機基團的分布狀況以及這種分布對電化學活性的影響，獲得催化劑的構效關係及相關催化理論規律性認識，根據實驗結果對催化劑體系進行模型最佳化，確定催化劑活性中心，結合原位追蹤檢測和理論計算，深入理解電化學析氧反應機理。再進一步對其進行多功能修飾和改良，製成巨觀塊體材料，並基於介孔膦酸鈷開發介孔磷酸鈷催化劑，為新一代析氧電催化劑開發、套用提供理論指導。
結題摘要
本項目開展新型高效介孔膦酸鈷基電催化劑研究，並擴展到其他金屬膦酸鹽材料及其衍生的金屬磷酸鹽和磷化物及多孔碳基材料電催化體系的構築與性能研究。利用金屬有機膦酸鹽多孔雜化材料的結構和組成可調的特點，著重構建系列金屬膦酸鹽/磷酸鹽/磷化物等複合催化劑，考察它們的電催化析氧和析氫等性能，並探討它們的催化性能與催化劑組成、結構的內在聯繫，揭示複合催化劑內在組分之間的相互作用、催化作用機制和調控機制；進一步，藉助有機膦酸的獨特的鰲合/配位效應，製備出系列雜原子摻雜碳材料及碳-金屬複合材料，系統研究它們的電催化性能及構效關係。本項目在執行過程中很好地探究了既定的研究內容，並在計畫內容的基礎上，進一步拓展了研究範圍，獲得系列高效電催化劑體系。主要進展包括：（1）採用不同有機膦酸，及引入其它導電載體（如石墨烯、碳納米管等）等，合成出有機膦酸骨架橋連的介孔金屬膦酸鈷基材料，表征其結構和性質，考察其電催化析氧性能，理解其構效關係和催化機制。（2）利用不同氣氛處理金屬膦酸鹽材料，製備出系列磷酸鈷、磷酸鎳、磷化鈷、磷化鎳等材料及其碳基複合催化劑，並考察它們的電催化析氧和析氫性能，以及全電解水產氫性能；發現藉助有機膦酸分子能夠實現碳材料的原位生成，提高獲得金屬顆粒的分散性和導電性，從而有效提升催化劑的電催化活性。（3）基於有機膦酸基團對金屬離子的絡合效應，以及膦酸鹽在高溫條件下升華形成的磷與金屬離子發生磷化反應，原位生成高分散態的金屬磷化物納米顆粒負載的碳納米片、碳納米棒，以及自支撐結構材料，且其在電催化領域表現出優異的催化活性，並成功套用於電解水、鋅-空氣電池等能源裝置。（4）基於有機酸-鹼相互作用原理，選用合適的有機酸類和含氨基有機物製備出系列多孔（類）有機聚合物，經高溫處理後生成系列雜原子共摻雜多孔碳材料，表現出優良的電催化氧還原和氧析出活性。項目已在Adv. Funct. Mater.，J. Mater. Chem. A，ACS Appl. Mater. Interfaces，ACS Sustainable. Chem. Eng.,等期刊發表基金標註的SCI收錄論文54篇，應邀在國際和全國性學術會議作邀請報告和Keynote報告多次。
