基于黑磷-金属氧化物载体与贵金属相互作用的醇类小分子高效电氧化

This project is based on the third research direction “New exploration for electrocatalytic transformation of carbon-based small molecules”. Reasoningly preparation of excellent supported noble metal-based nanocatalyst is the key to high-efficient electrocatalytic oxidation of small alcohol molecules. Based on the unique two-dimensional and special electronic structures and excellent carrier mobility, in this project, we will innovatively prepare the heterogeneous nanostructured hybrids as supporting materials of noble metal-based nanocatalyst for electrocatalytic oxidation of small alcohol molecules by combining the black phosphorus with two-dimensional transition metal oxides. We will study the formation process of black phosphorus-metal oxide hybrids and their geometric constructions and interface structures. The anchoring capacity of noble nanocatalyst on the surfaces of black phosphorus-metal oxide hybrids, the electrocatalytic oxidation activity and anti-CO poisoning capability of noble nanocatalyst/black phosphorus-metal oxide in different catalytic conditions evaluating will be investigated systematically. The research of this project will focus on the parameters of surfaces and interfaces of noble nanocatalyst/black phosphorus-metal oxide. We will also study the influence factors and inherent mechanisms of surface activation reactions and interfacial charge transfers in the process of electrocatalytic oxidation. By analyzing the oxidation mechanism of small alcohol molecules on noble nanocatalyst/black phosphorus-metal oxide, the project will provide scientific basis and theoretical direction in development of high-performance eletrocatalysts for high-efficient electrocatalytic oxidation of small alcohol molecules .

本项目针对该研究计划中研究方向三“碳基小分子电催化转化的新探索”进行申请。理性合成优异的负载型贵金属纳米催化剂是醇类小分子高效电催化氧化的关键。基于黑磷的特殊二维结构及优异的载流子迁移率等特性，本项目拟构建黑磷与二维过渡金属氧化物界面耦合体系，作为贵金属纳米催化剂的新型载体，应用于醇类小分子电催化氧化。研究黑磷-过渡金属氧化物杂化材料形成过程、几何及界面结构。考察黑磷-过渡金属氧化物对于金属纳米粒子的锚定能力，剖析不同环境场下贵金属/黑磷-过渡金属氧化物复合催化剂对醇类小分子的氧化活性以及抗CO中毒等性能。重点研究贵金属/黑磷-过渡金属氧化物的表界面参数与催化性能之间的关系，阐明催化反应中表面活化反应和界面电荷传输的影响因素和内在机理，揭示醇类小分子在贵金属/黑磷-过渡金属氧化物复合催化剂表面催化氧化机制，为高性能电催化剂材料设计和应用提供科学依据。

直接乙醇燃料电池具有燃料来源广泛、价格低廉、便于携带储存等优点，已成为新能源领域的研究重点和热点。其阳极催化剂通常以贵金属钯为主要基础元素之一，成本高而且容易被一氧化碳毒化而失活。负载型钯催化剂设计和开发可以有效的降低贵金属的用量和成本，提高了催化剂的电化学活性和寿命。考虑表界面结构，设计新型的贵金属催化剂载体材料是直接乙醇燃料电池阳极催化剂的发展关键之一。黑磷以其独特的二维结构、极高的载流子迁移率和可调的电子结构，被认为是极具前途的乙醇电氧化催化剂载体材料。. 本项目工作按原计划执行，从催化剂结构和表界面特性出发，利用简要的球磨法实现了黑磷与二氧化钛纳米片、石墨烯和氮化镍异质耦合, 作为钯纳米粒子载体材料，实现了高效乙醇电氧化。项目研究了不同黑磷异质结构载体对于钯纳米粒子的锚定能力以及形貌和分散性的影响，通过系统分析复合催化剂的组成及结构深入剖析黑磷基异质结构催化剂对乙醇小分子的氧化活性以及抗CO 毒性等催化性能，结合密度泛函理论计算阐明了乙醇分子在钯纳米粒子/黑磷异质结构催化剂表面的催化氧化机制。本项目研究极大拓展了黑磷材料在电化学催化反应中的应用，建立了不同黑磷异质结构载体材料与最终催化性能性能的构效关系，并从理论角度阐明了黑磷异质结构载体与钯纳米粒子间协同作用机制，为高性能乙醇电氧化电催化剂载体材料的设计和应用提供了科学依据及理论参考。围绕本项目研究成果，在《Advanced energy Materials》、《Small》等期刊发表标注本项目资助的论文9篇，其中3篇入选ESI高被引论文,申请国家发明专利6项， 培养硕士研究生5名, 项目组主要成员参加学术交流8人次。