雜原子摻碳催化劑介尺度表界面結構調控與構建

《雜原子摻碳催化劑介尺度表界面結構調控與構建》是依託重慶大學，由魏子棟擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：雜原子摻碳催化劑介尺度表界面結構調控與構建
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：魏子棟
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

雜原子摻碳材料因帶隙打開和結構活化成為非貴金屬碳基催化劑的研究熱點。然而，雜原子摻碳催化劑還存在活性低、活性位少、體積密度小等缺點。據此，本申請提出：“雜原子摻碳催化劑介尺度表界面結構調控與構建”的解決方案。採用密度泛函理論與分子動力學相結合的方法，構建介尺度雜原子摻碳催化劑聚集體模型，對表界面結構和孔道結構進行理論模擬，揭示介觀結構對活性以及傳質效率的影響機制；通過軟、硬模板法，自組裝、原位聚合等手段，合成特定結構形貌的有機聚合物；利用我們首創的“鹽溶液重結晶固形高溫炭化法”，將炭化時結構形貌可能坍塌、燒結、變形的聚合物封裝在重結晶的鹽晶體中，利用鹽晶體的固形、封閉和限域效應，調控聚合物高溫炭化時的介觀形貌；利用“混合鹽熔融相變法”，通過調節高溫炭化時產生的水、氣調控表界面產生的缺陷、孔隙和摻雜類型，確保雜原子摻碳催化劑活性位點儘可能地處在有效孔道中，實現催化中心利用率的全面提升。

結題摘要

由於雜原子摻碳非貴金屬氧還原催化劑存在的活性位數量少、體積密度低、孔道結構不夠豐富等缺點，使得其氧還原活性低、穩定性差。本課題組從催化劑介尺度表界面活性位構築，多級孔互傳網路結構以及介尺度結構構築策略三方面提升雜原子摻碳催化劑氧還原活性，主要成果包括：（1）利用“氣化與熱熔”的高溫雙相變法、軟硬模板法等法構築出“大孔-介孔-微孔”多級互穿網路型摻碳催化劑，實現氣體多孔電極催化與物質傳遞雙功能的精確調控。（2）提出利用雙陰離子的協同調控催化劑表界面介尺度區域配體結構，使其兼具了兩極端單一配體催化劑各自單一的高穩定性和高活性優勢，實現了催化活性和穩定性的同步提升。（3）提出“中心原子異化效應”和金屬/氧化物界面“析氫煙囪效應”理論，闡明介尺度晶體結構反轉和界面組分突變導致催化活性差異的理論化學基礎，並成功的指導了高效催化劑的設計。（4）利用具有埃級高度扁平反應器的空間限域效應，實現反應器內物質傳遞和反應過程的分步解耦，強化二維平面方向原子間的有效碰撞，製備出自支撐單原子層催化劑，發現二維平面材料d軌道異於單原子和三維納米顆粒材料的分裂是其兼具穩定和高活性的關鍵。