间歇微波法制备过渡金属氧化物-石墨烯复合材料用于燃料电池催化剂载体的性能与稳定性研究

质子交换膜燃料电池目前广泛采用的电催化剂是纳米级Pt粒子担载在碳黑表面上组成的Pt/C，其高分散特性使得Pt的利用率已经大大超过了早期的铂黑。但在长期操作尤其是频繁启动情况下，Pt粒子容易聚集长大，降低了Pt利用率；而且在燃料电池频繁启动过程中产生的瞬间高压使得碳发生氧化腐蚀生成CO2，从而造成Pt粒子脱落使催化剂失效。因此，如何提高电催化剂的结构稳定性，是目前解决燃料电池寿命和稳定性面临的主要科学问题和迫切任务。本项目提出一种间歇微波法制备纳米尺度的过渡金属氧化物和石墨烯的复合材料，其具有丰富的金属-载体的接触界面；此外，通过调节氧化物与石墨烯载体之间的作用还可以进一步提高载体的抗氧化腐蚀能力。通过本项目的开展，可深入探索电催化剂性能和稳定性与催化剂载体微结构之间的关系，为高性能和稳定性电催化剂的设计和实际应用提供规律性结果。

提高电催化剂的稳定性，是提高燃料电池稳定性，延长使用寿命的主要手段之一。本项目利用间歇微波法在石墨烯表面原位生长了纳米级过渡金属化合物颗粒，合成的过渡金属化合物与石墨烯载体之间结合紧密，有利于贵金属粒子的分散和稳定。同时，过渡金属化合物与石墨烯材料的复合改变了贵金属催化剂的电子结构从而调变贵金属的催化性能。本项目探索和优化了间歇微波法的制备工艺条件，包括前驱体种类、化合物含量、微波方式、功率、时间以及气氛，获得了不同结构和组成的石墨烯复合载体，包括：TiO2-Graphene (TiO2-G)、WC-Graphene (WC-G)、TiN-Graphene (TiN-G)、TiC-Graphene (TiC-G)和N-Graphene (N-G)等材料。之后采用多元醇微波、高温回流方式分别在TiO2-G、WC-G、TiN-G、TiC-G等复合材料上还原担载了Pt催化剂，并在N-G上担载PtRu纳米合金。本项目采用循环伏安法、CO-溶出伏安法和计时安培等方法评价各种催化剂的电化学性能。通过半电池和单电池的性能测试，对阳极电催化剂的醇类氧化活性进行评估。采用催化剂加速老化实验评价其稳定性。结果表明TiO2纳米粒子改变了石墨烯载体的表面性质，使Pt颗粒分散更均匀。同时TiO2与贵金属相互作用，有利于提高Pt催化剂的活性和稳定性。在此基础上，对该类催化剂结构与性能之间的关系进行深度解析。