铂电催化剂活性微观分布及动态变化单分子水平研究

In order to reliably design and synthesize high performance heterogeneous catalyst, we need more completed and deeper understanding of the molecular mechanism of electrocatalysis process.For that goal, in this proposal, we are going to combine electrochemistry method with the new-developed single-moleucule single-nanoparticle fluorescence microscope to study the correlation between nanocatalyst performance and its nanostructure.In this way we can get information about the relationship between the catalytic performance of single nanoparticle with its sruface micro-structures, the distribution or number of active sites. It will reveal how the activation or deactivation occurs in nanometer scale, or how the surface properties affect the performance of single nanocatalyst. This new information would be very helpful for us to understand the catalytic process and design new catalyst with high performance.

电催化技术是解决目前能源与环境问题的关键，特别是其中的燃料电池已经成为了国内国际关注的焦点。针对燃料电池阴极电催化剂催化活性低、稳定性差等问题，本项目拟采用自主开发的电化学荧光单分子技术，以燃料电池电催化体系作为研究对象，研究铂纳米粒子在电催化氧还原过程中实时动态的活性变化及单个铂纳米粒子纳米结构、晶面结构对自身催化活性的影响。研究内容包括：1）从单分子单纳米技术层面对铂纳米粒子催化氧还原过程的活性纳米粒子进行跟踪，获取单个铂纳米粒子失活过程，并对失活机理进行分析。2）研究单个铂纳米粒子对氧还原的催化活性，突破传统众均实验的限制，实时监测不同形貌不同晶面的铂单个纳米粒子的活性差异，从而获取单个铂纳米粒子自身的构效关系。揭示纳米粒子催化活性差异的根本所在，为指导高性能高稳定性的铂纳米电催化剂提供理论指导。

本项目基于电催化领域对微观结构层次设计的需求的基础上提出来的，旨在从单分子单纳米粒子水平认识电催化反应机理和控制纳米电催化剂催化过程，从而借助纳米科学和技术的发展，实现调控电催化剂的表面原子排列结构和电子结构，为高效电催化剂的研制提供基础理论信息。主要内容及成果如下：1. 本项目通过设计新型电化学荧光单分子反应池，将电化学与荧光单分子技术有机结合起来，获取了一种研究电化学体系的单分子单纳米粒子催化行为的新方法。2. 基于本项目设计的电化学荧光单分子反应池，研究了铂作为电催化剂的催化活性失活过程。3. 获得了铂电催化剂以及载体在电化学催化过程中的实时动态单分子单纳米粒子行为信息，并结合结构分析手段，获取了铂纳米粒子催化行为与自身结构组成之间的构效关系，发现电刻蚀是催化剂失活的主要因素。Nature Energy将本项目成果之一（Angwe. Chem. Int. Ed. 55, 3086）作为highlight做专题评述：“该工作利用荧光成像技术在单粒子水平上阐明了催化剂失活的动力学机理，并发现了电催化过程诱导的刻蚀才是催化剂失活的主要原因。”。4.项目拓展于铂族金属钯的类铂催化行为的研究，获取了钯催化行为的尺寸依赖性以及结构依赖性，为铂催化行为研究提供启示性信息。本项目发表论文7篇，包括Angew. Chem. Int. Ed. 2篇，JACS 1篇。培养博士研究生4名，圆满完成项目。