定向构筑过渡金属氮化物（TiN,CoxN）/氮掺杂碳复合催化剂及其氧还原氧析出机理研究

Construction of composite structure is the most effective way to improve electrocatalytic performance. The complementation properties and related effect between the structural units affects the catalytic performance of the composite materials seriously. Therefore，the determination of the mechanism of related effect between structural units during the catalytic reactions is crucial for the improvement of catalytic performance..In this project, transition metal nitride (TiN，CoxN)/N-doped carbon composite materials (TMN/NC) with unique structures and compositions will be designed, and highly compounded materials that contribute to improve electrocatalysis performance will be prepared. The physical and chemical properties of TMN/NC the composite materials will be carried out through the systematic analysis of the structural features of structural units. The electrocatalytic performance of the composite materials in oxygen reduction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) will be systematically evaluated by coupled modern characterization methods, electrochemical testing methods and theoretical calculations. More importantly, the impact of related effect on the catalytic performance of composite material will be carefully illustrated. The investigations performed in this project are provided foundation for rational design new composite materials, practical ways for conformations and performance controlling of composite materials. Provide the application prospects in the development of new functional materials, the practical application of electrocatalytic system, the effective use of new energy.

构筑复合结构是改良催化剂性能最有效的方法，复合材料中各结构单体性能互补及相互作用在很大程度上影响复合材料的电催化性能。因此探究复合材料在催化反应过程中的相互作用机理对调控其催化性能至关重要。本项目拟构筑具有特定结构和组成的过渡金属氮化物（TiN，CoxN）/N原子掺杂碳复合材料（简称TMN/NC），通过对TMN/NC复合材料进行系统分析，明确复合材料的物理化学特性；采用现代表征手段、电化学测试方法及理论计算相结合的方法，针对复合材料在氧还原（ORR）和氧析出（OER）电催化体系中的行为与功效进行系统探索，建立各结构单元相互作用与催化性能之间的关系，且深入研究催化过程中复合材料表面物理化学反应机理，从而实现对TMN/NC复合材料性能的定向调控。本项目为复合材料的理性设计、结构与性能的调控提供基础，在新功能材料开发、电催化体系实际应用、新能源有效利用等重要领域具有广泛的应用前景。

构筑复合结构是改良催化剂性能最有效的方法，复合材料中各结构单体性能互补及相互作用在很大程度上影响复合材料的电催化性能。本项目采用溶胶-凝胶方法，选取具有一定氧化还原特征的有机氮源（比如二聚氰胺（DCDA）、单氰胺（DICY）、三聚氰胺、尿素、盐酸胍）取代氨气用于制备TMN/NC复合材料，系统研究了原料配比、煅烧温度等关键控制因素，实现了TMN/NC复合材料的可控制备。通过结构分析和电化学性能研究发现，TiN纳米颗粒（4-7 nm）均匀的分散到氮掺杂碳基底上，并且TiN纳米颗粒的含量严重影响其电催化活性。通过向TiN纳米颗粒中引入其它过渡金属离子，改变TiN纳米颗粒的电子结构，发现过渡金属掺杂TiN纳米颗粒/氮掺杂碳材料具有更加优异的电催化性能。通过拉曼光谱测试技术、X射线光电子能谱仪等发现引入其它过渡金属离子，不仅可以改变TiN纳米颗粒的电子结构，还在一定程度上增加氮掺杂碳材料的石墨化程度，增加电子传输性能。通过RDE和RRDE测试方法，系统分析了引入其它过渡金属离子对TMN/NC复合材料氧还原催化性能的影响。结合密度泛函理论计算出在碱性电解液中，发生电催化反应的反应机理及势垒，建立了电催化反应机理模型，从而实现对TMN/NC复合材料性能的定向调控。本项目为复合材料的理性设计、结构与性能的调控提供基础，在新功能材料开发、电催化体系实际应用、新能源有效利用等重要领域具有广泛的应用前景。