直接甲醇燃料电池关键电极材料的理论设计

The direct methanol fuel cell is one of the best energy with brilliant prospect with the seriously increasing of energy crisis. The key problem of the methanol fuel cell performance improvement and cost reduction is the design of electrode materials. This project is aim to investigate the electrode catalytic mechanism and the interaction between the electrode catalytic mechanism and the supports using the quantum chemical, molecular dynamical and numerical simulation method together. The binary alloy catalyst contains Cu, Ni, Fe and other low-cost metal anode reaction of methanol oxidation, and the N, P, B doped carbon material cathode catalytic and oxygen reduction process will be studied. The research include the electron transfer and proton conduction of the catalyst process, the influence on the catalytic reaction of complex valence electron structure of alloy system, the change of carbon material catalyst along with the π electronic structure of the doped material, the interaction between the active site of catalyst carrier adhesion effect and other factors. Then, the determinant factor of the catalytic properties and the change rule can be concluded, and the low-cost electrode materials with excellent performances will be layout. Finally we will use the experiment means to synthesis the designed catalyst, to evaluate the performance of the electrode material and test the reliability of the theoretical calculation. The project has a great significance on the design of electrode materials in the direct methanol fuel cell.

直接甲醇燃料电池（DMFC）以其高效环保的优势，在能源危机日益严峻的今天表现出了非常好的应用前景。其中电极材料的设计一直是甲醇燃料电池性能提高及成本降低的关键。本项目将采用量子化学、反应动力学、数值模拟手段相结合的方法，对电极催化机制及其与负载的作用进行理论研究。主要对含有Cu、Ni、Fe等廉价金属的二元Pt合金催化剂的阳极甲醇氧化过程，和N、P、B等非金属掺杂的碳材料阴极催化剂氧还原过程进行理论分析，考查催化过程中电子传导、质子转移过程，合金体系复杂的价电子结构对催化反应的作用、碳材料催化剂的π电子结构随掺杂物质的变化、载体活性位点对催化剂附着效果的影响等因素，找到决定催化性能的本质原因及变化规律，从理论上设计出适合甲醇燃料电池的高效、廉价的催化剂。最后运用实验手段合成所设计的催化剂，对电极材料的性能进行评估，检验理论计算的可靠性。该项目对甲醇燃料电池中电极材料的发展具有重要意义。

本项目以直接甲醇燃料电池（DMFC）的电极材料为主要研究对象，采用量子化学与数值模拟相结合的手段，对甲醇燃料电池的阴极、阳极催化剂材料及其电极反应机制进行了详细的理论研究。项目取得的结果如下：1）考察了不同的金属元素以及合金在对甲醇催化氧化性能上的影响，明确了以Fe、Cu为主的廉价过渡金属催化剂，在一定程度上可以替代广泛应用的Pt、Pd等贵金属，作为甲醇燃料电池的电极反应催化剂；2）二维纳米材料具有特殊的性能，采用含有N、P等非金属元素的二维材料为支撑，将具有催化功能的金属原子负载在载体上，在此基础上设计了甲醇燃料电池电极材料的单原子催化模型；3）进一步分析了阳极甲醇的分解过程以及阴极氧气的还原过程，明确电极反应机制。4）分别对主动式和被动式直接甲醇燃料电池进行了数值模拟，为直接甲醇燃料电池的瞬态以及稳态研究提供了良好的理论依据。通过以上研究，达到了减少金属催化剂的用量，增加电池的工作效率，降低甲醇燃料电池的成本的目的。本项目的顺利完成对直接甲醇燃料电池，尤其是电极材料的设计和发展具有重要的意义。