壳层隔绝磁性纳米粒子电催化体系构建及其在氧还原反应中应用研究

磁性纳米粒子在能源、药物和分离等科学领域有着诸多价值，但目前主要受限于其稳定性及磁场对传质有某些负面影响。针对这一磁性纳米粒子的瓶颈问题，并进一步开发其应用，本项目首次提出以壳层隔绝磁性纳米粒子作为催化剂载体，以此为基础发展具有电-磁协同效应的、稳定的新型催化体系。本研究涉及微观尺度材料设计及构效关系。首先设计并构筑各种类型的壳层隔绝磁性纳米粒子，探究纳米尺度异质材料生长的规律性、材料生长的微区环境对生长驱动力的影响；开发具有自主知识产权的材料制备技术。其次考察磁性复合材料作为氧还原电催化剂载体与传统载体的不同，磁性载体与外加磁场的不同；研究其表面所发生的电催化氧还原动力学行为及稳定性增强机理。通过对比不同磁性材料及壳层微观结构对电催化反应的影响，获得复合载体性能与电催化反应活性及稳定性的内在联系规律，为在微观层次研制稳定、高效、低价氧还原电催化材料提供新思路和理论依据。

本项目对“壳层隔绝磁性纳米粒子电催化体系构建及其在氧还原反应中应用”进行了系统和深入的理论和实验研究，主要体现了以下几个方面的研究成果。1，通过对碳壳层隔绝磁性载体材料的设计策略和制备科学研究，基于复合材料的特征，发展了几种碳包覆磁性复合材料的制备方法，合成了多种碳包覆磁性复合载体；2，基于材料设计，磁性纳米粒子的制备、碳材料的前驱体优选、表面修饰、形貌控制做了系统研究，其单独或与磁性纳米粒子复合后负载贵金属体现了高催化活性、高稳定性，在此基础上对催化材料的氧还原电催化作用本质和增强机制进行了研究；3，创造性地利用自制磁场发生装置进行材料控制合成和氧还原电催化性能研究，在此基础上，发展了多种材料制备方法，满足实际应用的普适要求来制备各种电催化剂和催化剂载体材料；4，对外加磁场和催化剂本身的微区磁场对电催化氧还原或有机小分子氧化的影响做了系统研究，并对其作用机理做了初步探索，发现其作用本质是影响了顺磁性小分子的扩散进程。通过对比不同磁性材料及壳层微观结构对电催化反应的影响，获得了复合载体性能与电催化反应活性及稳定性的内在关系，在复合材料设计上主要集中在新型催化剂载体和催化体系的功能导向设计、合成和表征；在理论上主要探讨磁性复合材料的稳定化设计、协同效应的本质，从而在实质上解决燃料电池催化材料的催化活性、稳定性、成本等共性关键问题。本项目按时完成了预定任务。发表SCI期刊收录论文70篇；获授权中国发明专利13项；培养硕士毕业生7名。