纳米金刚石基复合电催化剂载体材料的制备及性能研究

本项目拟采用纳米金刚石（Nanodiamond-ND）及纳米TiO2/ND复合材料为新型电催化剂载体，并制备Pt/TiO2/ND复合电催化剂。由于ND具有高比表面积，优异的抗氧化性和耐腐蚀性，高的机械强度和热稳定性，表面包覆的氧化钛赋予其更高的导电性和铂基金属亲和性，因此纳米TiO2/ND将成为优异的电催化剂载体材料。首先利用硝酸盐浴处理选择性去除导致ND团聚的非金刚石碳，获得单分散的ND；再采用我们发展的非沸腾恒温水解法在ND表面沉积厚度、形貌可控的纳米TiO2包覆层；以纳米TiO2/ND作载体，负载铂基催化剂，获得具有高催化活性、高显微结构稳定性的长效电催化剂，研究复合电催化剂对甲醇氧化和氧还原反应的电催化性能。ND粒子单分散及表面包覆是本课题重点研究内容，因此本项目不仅可以获得高性能、耐氧化的电催化剂载体材料，也为纳米金刚石在各领域应用提供基础，促进金刚石功能材料发展。

本项目选用具有高结构稳定性的纳米金刚石（nanodiamond-ND）为基础载体材料，并对其进行不同的表面处理，负载Pt 基合金，获得具有高催化活性及高稳定性的燃料电池催化剂。主要研究了表面状态对ND 电化学性能的影响；制备了TiO2/ND 复合粒子；分别以ND，表面石墨化的ND（graphitized ND-GND）以及TiO2/ND 为载体，制备了Pt 及PtRu 催化剂；研究了催化剂对甲醇氧化及氧还原反应的催化活性以及稳定性。结果表明：ND 在水溶液中的电化学性能取决于表面官能团的种类。采用真空处理获得核壳结构的GND，表面的石墨壳层具有高的导电性和Pt 亲和性，芯部ND 具有高抗氧化性及结构稳定性，其负载的Pt 及PtRu 催化剂对于甲醇氧化及氧还原反应具有更高的催化性能和稳定性，是极具潜力的燃料电池催化剂。采用非沸腾水解或微波辅助水解法制备了纳米TiO2/ND 复合粒子，锐钛矿TiO2/ND 具有催化NO2-氧化的能力。以TiO2/ND 为载体制备Pt/TiO2/ND 催化剂，与ND 载体相比，Pt纳米粒子在TiO2/ND 粉末上能得到更好的分散，Pt 分散性提高。与Pt/ND 相比，Pt/TiO2/ND对甲醇氧化和氧还原反应均显示出更好的催化活性，而且由于纳米TiO2 层对Pt 粒子的有效锚定作用以及TiO2/ND 良好的稳定性决定了Pt/TiO2/ND 优异的稳定性。