《高效非鉑電化學催化劑的設計與構築》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由趙惠軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高效非鉑電化學催化劑的設計與構築
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：趙惠軍
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
燃料電池和染料敏化太陽能電池(DSCs)是二種最接近實用化的清潔能源技術，在諸多領域廣泛套用。目前這兩種技術幾乎無例外的都採用基於鉑的電化學催化劑。雖然鉑具有優異的電化學催化性能，但其固有的昂貴性及稀有性極大地限制了燃料電池和DSCs的大規模生產套用。本項目針對上述重要需求，研究可替代鉑的，具有高催化活性、低成本、來源豐富的，鐵、鈷、碳基材料的非鉑電化學催化劑。擬採用理論計算-結構設計-可控合成-機理研究-性能評價的系統研究方法，揭示影響鐵、鈷、碳基材料的電化學催化劑的物性及其結構的本質因素，確定其作為高效電化學催化劑的最有效表面原子及能級結構，發展可利用生物質（如：草、秸稈、樹葉等）為原料的水熱及氣相水熱的原位綠色合成方法，實現對表面原子及能級結構的調製，並可控合成高效非鉑電化學催化劑。本項目的實施將促進清潔能源技術的發展和普及套用。
結題摘要
電化學催化劑在清潔能源技術中占有重要地位。然而，目前已發展的高效燃料電池及染料敏化太陽能電池(DSC)幾乎都採用鉑電化學催化劑，其固有的昂貴性及稀有性極大地限制了燃料電池和DSCs的大規模生產與套用。因此，發展可用來替代鉑的、具有高催化性能、低成本並有豐富來源的非鉑電化學催化劑將會極大地促進燃料電池及DSCs的大規模生產與套用。本項目的研究內容與成果主要包括以下三個方面：首先，在碳基電化學催化劑設計合成方面，利用生物質天然富含N、S元素的特點製備了一系列N摻雜以及N、S共摻雜碳基電化學催化劑材料；採用第一性原理，系統研究了N、S摻雜、共摻雜及摻雜量對碳材料電荷及電子自旋密度分布的影響，並用以指導ORR催化劑材料的功能化設計；揭示了碳基電化學催化劑材料N、S共摻雜及孔結構構築與催化活性的關聯，為發展高效碳基電化學催化劑提供依據。其次，在非貴金屬鐵、鈷、鎳基電化學催化劑材料設計方面，採用新發展的氣相水熱法原位控制合成了多種Co、Fe氧化物/碳複合物，Co、Fe硫化物/多孔碳體系催化劑；以金屬有機框架材料為前驅體製備非貴金屬鈷基以及鈷鎳基多功能複合電極材料，並對合成的目標催化劑展開電化學性能評價、最佳化，揭示了影響鐵、鈷、碳基材料的電化學催化劑的物性及其結構的本質因素，確定其作為高效電化學催化劑的最有效表面原子及能級結構；結果表明，所設計的催化劑材料氧還原電催化性能與商品化的Pt/C電催化劑接近，且對甲醇等燃料分子的抗交叉干擾能力和穩定性均優於Pt/C電催化劑。另外，最後，在染料敏化太陽能電池方面，成功地製備了單晶NiS納米片膜、S摻雜的Co3O4納米結構膜、碳納米點可以作為光敏劑敏化TiO2納米粒子光陽極、水熱製備Nb3O7(OH)和Nb2O5納米線組裝的超結構電極用於DSSCs等，用於染料敏化太陽能電池和鋰離子電池，可替代商業化染料和Pt基DSSCs催化劑。本項目的實施將促進清潔能源技術的發展和普及套用。
