Pt-非金属、稀土多元催化剂制备及对乙醇氧化协同催化研究

直接燃料电池发展的最大瓶颈是其催化剂活性。本项目通过寻找新型直接乙醇燃料电池Pt-非金属、稀土阳极催化剂，改进PtTe基、PtEu基多元阳极催化剂合成方法，采用探针分子、in-situ UV-Vis、H2-O2滴定、HPLC、TEM、XPS等手段对催化剂结构、组成、表面价态、分散性、粒径分布进行表征；研究PtTe基、PtEu基多元阳极催化剂对乙醇催化氧化提供的含氧物种及中间物和最终产物，催化剂稳定性和抗中毒能力；揭示添加非金属、稀土的Pt催化剂对乙醇氧化的协同催化机理及构效关系，以提高催化剂活性，替代当前流行的PtRu、PtSn催化剂，大大降低贵金属载量。采用微参比电极测量单电池阳极板上电流电势分布，为推动直接醇燃料电池发展提供理论依据。本项目的创新点是首次合成具有高活性的PtTe非金属及Pt基Eu稀土多元新型催化剂，并着重研究其构效关系，以及极板上电流电势分布。

直接燃料电池发展的主要瓶颈在于催化剂活性。本项目通过合成PtTe、PtEu、PtPb、PtBi二元及其多元催化剂，优化和完善催化剂的合成路径和条件，摸索出几种新颖的合成方法，如微波法、自组装法和静电自取代法等，采用AAS、FTIR、TGA、XRD、XPS和TEM等多种手段对催化剂结构、组成、表面价态和粒径分布等进行了表征，采用电化学方法研究二元和多元阳极催化剂对醇类电催化氧化性能的影响。其中，合成的PtPbBi/C催化剂对醇类催化氧化活性比商业催化剂高4.1倍。研究结果表明第二种或第三种元素存在，能有效地促进溶液中H2O解离，提高Pt催化剂表面OH基团浓度，从而使醇类更易氧化分解；此外，第二种和第三种元素的加入，使催化剂易在低电势下生成更多的含氧物种，促进醇类氧化过程产生的中间物中毒体的氧化和清除。进一步研究了合成的催化剂对一氧化碳和醇类电催化反应中间物的抗中毒性，阐明催化剂元素之间的构效关系和协同催化作用，揭示了醇类电催化氧化的动力学过程和反应机理。合成的催化剂具有非常高的醇电催化氧化活性和极低的贵金属载量，可以推动燃料电池的发展和应用。本项目获得圆满完成，此外鉴于纯Pd在碱性条件下对乙醇电氧化能力相比纯Pt有极大的提高，课题组额外研究了Pd基二元催化剂对乙醇的电催化氧化活性的影响，也初步取得良好的结果。研究成果已发表SCI论文12篇，正在审稿2篇，国内会议论文2篇；积极参加学术会议，培养硕士、博士19名。同时也为本课题组实验室的进一步工作打下了良好的基础。