蛋黄-多孔蛋壳结构铂基纳米氧还原电催化剂的构建及性能研究

Pt-based oxygen reduction reaction (ORR) electrocatalysts is a current hot research topic. Structural design and controllable synthesis are the key issues for improving their electrocatalytic performance. This project will develop new synthetic mechanisms and methods for the preparation of the novel all-metallic Pt-based yolk-shell nanostructures with porous shells (i.e., PtM@porous PtM (M=Pd, Ru, Cu, Au) yolk-shell nanostructures), and investigate the as-made materials’ electrocatalytic property on ORR. PtM@SiO2 core-shell nanostructures will be used as the starting materials to fabricate porous PtM shells on the SiO2 surface with the assistance of block copolymer micelle assembly. After removing the SiO2 layers and micelles, PtM@porous PtM yolk-shell nanostructures will be obtained. The as-designed all-metallic yolk-shell nanostructures have the advantages of low density, high activity area and excellent surface permeability. By tuning of the compositions and structural features, both of the cores and the shells will be realized to be highly active and stable ORR catalytic sites. The synergistic enhancement effect and structure-activity relationship in ORR for the cores and shells will be studied, and highly efficient ORR electrocatalysts will be obtained. This project will afford new nanostructural designs and new synthetic methods for the preparation of highly effective ORR electrocatalysts, and as-made new materials have broad application prospects in various electrocatalytic reactions.

铂基氧还原电催化剂是当前的研究热点，结构设计和可控制备是提高其电催化性能的关键问题。本项目拟研究新型全金属蛋黄-多孔蛋壳铂基纳米结构（即，PtM@多孔PtM (M=Pd, Ru, Cu, Au) 蛋黄-蛋壳纳米结构）可控制备的新原理和新方法及其氧还原电催化性能。以PtM@SiO2核壳结构为构建单元，利用嵌段共聚物胶束在SiO2表面形成的自组装体诱导形成多孔PtM结构。移除SiO2和嵌段共聚物后获得PtM@多孔PtM蛋黄-蛋壳纳米结构。该全金属蛋黄-多孔蛋壳纳米结构具有低密度、高活性面积和良好的表面渗透性等优点。通过成分和结构的调控实现蛋黄和多孔蛋壳同时成为高效和稳定的催化活性位点。研究蛋黄和多孔蛋壳在电催化氧还原反应中的协同增强作用和构效关系，获得高效氧还原电催化剂。本项目的研究可为高效氧还原电催化剂的制备提供新的纳米结构设计和新的合成方法，制备的新材料在各种电催化反应中有广泛的应用前景。

高效铂基电催化剂的可控制备是燃料电池研究中的关键问题之一，建立新的结构设计和新的合成方法是提高铂基氧还原电催化剂使用效率、催化性能和耐甲醇能力的有效途径。本项目研究了以嵌段共聚物分子和胶束为结构导向剂制备多孔铂基纳米电催化剂的合成方法。首先系统地研究了嵌段共聚物分子诱导铂基枝状多孔纳米结构的制备方法，进一步研究了嵌段共聚物胶束诱导铂基介孔纳米结构（多孔纳米粒子、多孔纳米膜、多孔纳米管和多孔纳米笼）的合成方法，并研究了相关材料的电催化性能和构效关系。基于前面两方面的研究工作进而建立了全金属蛋黄-多孔蛋壳铂基纳米结构的可控制备方法及并研究了其氧还原电催化性能。我们从蛋黄和多孔蛋壳两个方面的成分和结构进行了精巧的功能化设计获得了一系列全金属铂基蛋黄-多孔蛋壳结构纳米电催化剂。我们首先制备了铂核或钯核二氧化硅壳纳米粒子，随后在二氧化硅的表面利用嵌段共聚物胶束软模板形成了多孔铂基纳米结构，经过选择性化学刻蚀二氧化硅层后获得了一系列的铂基蛋黄-多孔蛋壳纳米结构，主要包括：Pt@多孔Pt、Pt@多孔PtPd、Pt@多孔PtRu、Pd@多孔Pt、Pd@多孔PtPd、Pd@多孔PtRu等。通过成分和结构的调控实现金属蛋黄和多孔金属蛋壳同时成为高效和稳定的催化活性位点。系统地研究了相关催化剂对电催化氧还原反应和甲醇氧化反应的活性和稳定性，研究了电催化剂的构效关系和性能优化方法。本项目的研究可为高效铂基氧还原电催化剂的可控制备提供新的催化剂结构设计和新的制备方法，相关的研究成果在燃料电池等电催化领域具有一定的科学价值和应用前景。