《過渡金屬氮化物納米單晶的可控合成及催化套用》是依託武漢理工大學，由唐浩林擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：過渡金屬氮化物納米單晶的可控合成及催化套用
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：唐浩林
- 依託單位：武漢理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
Ti、V、Fe、Mo、W過渡金屬氮化物單晶材料由於氮元素進入晶體空隙後金屬原子間距增加、費米能級態密度提升，具有類似貴金屬Pt的表面性質和吸附特性，是氧還原、石油加氫脫硫、氨合成分解等領域極具潛力的高效催化材料。基於氧還原催化劑的燃料電池等高效能量轉換裝置是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》明確優先發展的先進能源前沿技術。本項目擬從具有典型意義的氧還原催化角度出發，通過過渡金屬離子的選擇和匹配以調節d態中心、從而改善過渡金屬氮化物的氧還原動力學速度；通過晶面生長取向調節改善過渡金屬氧化物的氧還原起峰電位；並採用過渡金屬氧化物納米線在器件中堆積形成的大孔和局部結構規整反應形成的介孔構建高效的等級孔傳質結構，從熱力學和動力學角度協同提高過渡金屬氮化物的催化活性，為燃料電池、金屬空氣電池等高效能源轉換裝置提供氧還原共性關鍵材料支撐和技術支持。
結題摘要
Ti、 V、 Fe、 Mo、 W 過渡金屬氮化物單晶材料由於氮元素進入晶體空隙後金屬原子間距增加、費米能級態密度提升，具有類似貴金屬 Pt 的表面性質和吸附特性，是氧還原、石油加氫脫硫、氨合成分解等領域極具潛力的高效催化材料。基於氧還原催化劑的燃料電池等高效能量轉換裝置是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》明確優先發展的先進能源前沿技術。合成的三維碳NMC@Co@CNTs催化劑在1600rpm、5mv/s條件下的鹼性電解液中具有良好的ORR電催化性能，起效電位為0.901 V vs RHE，限流密度為4.83 mA/cm2；此外，這種三維多孔碳在鹼性電解質中對OER也表現出良好的電催化性能。這種高電催化性能的主要原因是其比表面積大、導電性強的碳納米管，以及共活性物質與碳骨架之間的協同作用。基於該碳材料的雙電極鋅空氣電池在0.63V電壓下達到峰值密度163mW /cm2，表明該催化劑在電池套用方面具有巨大的潛力；採用真空浸漬法，在室溫條件下製備的三維空心球結構Co-N@HCS催化劑，對ORR和OER均表現出優異的催化活性。對於ORR催化劑，在鹼性介質中，與基準Pt/C催化劑相比，催化劑的啟動電位(~0.962 V vs. RHE)更大，擴散極限電流密度(5.55 mA cm-2)更大。此外，合成的催化劑在電流密度為10mA cm-2時，OER的電位較低(1.720 V vs. RHE)，Tafel斜率較小(81 mV dec-1). 該催化劑在工作條件下具有良好的耐甲醇性和長期穩定性；在前驅體的選擇 Co(NO3)2•6H2O和Zn(NO3)2•6H2O的比例為5：95時所所製備的HC-5Co95Zn在酸性條件下具有最高的氧還原催化活性，其具有高於Pt/C的極限電流密度（5.7 mA cm-2），其起峰電勢（0.88 V）和半坡電勢（0.78 V）稍低於Pt/C的起峰電勢（0.95 V）和半坡電勢（0.85 V），但高於其他碳基催化劑。HC-5Co95Zn作為陰極催化劑製作的質子交換膜燃料電池具有優異的功率密度（412 mW cm-2）及較低的阻抗。以上研究成果為燃料電池、金屬空氣電池等高效能源轉換裝置提供了氧還原共性關鍵材料支撐和技術支持。
