低维二氧化铈/石墨烯异质纳米结构的合成与特性研究

By adopting hydrothermal and solvothermal methods, through parameter optimization including concentration of reactants, reaction time and temperature, the controllable synthesis of various low-dimensional CeO2/graphene heterostructured nanomaterials will be realized by using graphene oxide and as-synthesized CeO2 nanosturctures such as nanorods, nanowires, nanocubes, nanopolyhedrons as starting materials. The composition, microstructure and interface between the CeO2 and graphene will be characterized in detail. Through systematically studying the corresponding variety law of oxygen vacancy concentration, photocatalysis and electrochemical properties in proton exchange membrane fuel cells, the relationship of photocatalysis, electrochemical properites and the intrinsic structures of the CeO2/graphene heterostructured nanomaterials will be obtained. With implementing the project，we will increase the photocatalysis of the heterostructures, improve lifetime of the anti free radical in proton exchange membrane fuel cells and further dispose of degradation of catalyst layer of propton exchange membrane fuel cells.

本项目采用水热和溶剂热合成法，以氧化石墨烯和低维CeO2纳米材料如纳米棒、纳米线、纳米立方体、纳米多面体为初始反应物，通过控制反应物的浓度与种类、反应时间和反应温度，可控合成出多种低维CeO2/石墨烯异质纳米结构，并全面表征这些异质纳米结构的组成、微观结构以及CeO2与石墨烯界面间的微观结构。进一步通过系统研究这些CeO2/石墨烯异质纳米结构样品的氧空位浓度变化规律、光催化特性以及作为催化剂载体在质子交换膜燃料电池中的电化学特性，获得这些异质纳米材料的光催化性能、电化学特性与异质纳米结构特性之间的内在关联，大幅提高CeO2/石墨烯纳米结构的光催化特性，有效改善燃料电池催化剂抗自由基寿命，大大缓解质子交换膜燃料电池催化层退化问题。

新型环境材料和清洁能源对保障国家能源安全、促进经济可持续发展、建立资源节约和环境友好的和谐社会具有重大的支撑意义。其中以稀土金属氧化物二氧化铈(CeO2)为载体或催化剂在控制汽车尾气污染和清洁能源等领域有重要的应用前景而逐渐成为研究热点。本项目采用水热和溶剂热合成法，以氧化石墨烯和低维CeO2纳米材料如纳米棒、纳米线、纳米立方体、纳米多面体为初始反应物，通过控制反应物的浓度与种类、反应时间和反应温度，可控合成出多种低维CeO2/石墨烯异质纳米结构，实现CeO2纳米材料与还原氧化石墨烯的摩尔比连续可调。进一步系统研究这些CeO2/石墨烯异质纳米结构的氧空位浓度变化规律、光催化特性以及作为催化剂载体在质子交换膜燃料电池中的电化学特性。研究结果表明：低维CeO2/石墨烯异质纳米结构可以作为自由基清除剂来提高催化剂的耐久性。在 0.8–1.23 V高电压下，经过50000次CV循环后，低维CeO2/石墨烯异质纳米结构的催化活性仍能保持原活性的69%，远高于Pt-还原氧化石墨烯催化剂19%的活性保持率。其作用机理在于CeO2纳米材料具有清除自由基活性的能力，能显著降低Nafion质子交换膜的化学退化，从而缓解Pt催化剂的衰退状态，最终实现Pt-CeO2纳米立方颗粒-还原氧化石墨烯纳米复合催化剂的高循环寿命。这些研究结果为可控合成低维CeO2/石墨烯异质纳米结构、异质纳米结构与光电性能之间的内在联系以及异质纳米结构工业化应用提供了新的思路。