碳包覆保护稀土掺杂氧化物构建“氧化物-贵金属”体系在电催化反应中的应用研究

Rare earth element, hailed as the "Industrial Vitamin", has been widely applied as catalytic materials. However, except for cerium element, its related research is very limited in low-temperature fuel cells. Therefore, to develop the applications of rare earth elements in low temperature fuel cell, improve the catalytic activity and solve the stability of "oxide - precious metal" system as well, this project will design and prepare carbon layer protected rare earth doped oxides for the first time, and build high-performance "Oxide-Precious Metal" electrocatalytic system. This study involves the material preparation technology and research of structure-activity relationship. On the one hand, for grasping the related technology to build rare earth and oxide doped "Oxide-Precious Metal" system with high performance, it will examine the influence of different rare earth elements, contents, carbon coated methods, carbon layer thickness and compositions for the electrocatalytic properties of the "Oxide-Precious Metal" system respectively. On the other hand, it will make clear the role of rare earth elements in the electrocatalytic reaction and clarify the promotion mechanism in catalytic system. Meanwhile, the universal law of the interactions will be established among rare earth doped oxide, protected carbon layer and precious metal. This study will provide new thoughts and theory for the development of rare earth materials in low-temperature fuel cell applications.

稀土元素作为催化材料的应用非常广泛，被誉为“工业维生素”。但除铈元素外，它在低温燃料电池方面的相关研究非常有限。因而，为开发稀土元素在低温燃料电池方面的应用，同时为进一步提高“氧化物-贵金属”体系的催化活性、解决该体系的稳定性问题，本项目将首次设计制备碳包覆保护稀土掺杂氧化物，构建高性能“氧化物-贵金属”电催化体系。本研究涉及材料制备技术和构效关系研究。一方面，将考察不同稀土元素和掺杂量、不同碳包覆方法、碳层厚度和组成对构建的“氧化物-贵金属”体系电催化性能的影响，从而掌握稀土掺杂氧化物构建高性能“氧化物-贵金属”电催化体系的相关技术。另一方面，将明确该体系中的稀土元素在电催化反应中的作用，阐明其在催化体系中的促进机制。并建立稀土掺杂氧化物、包覆碳层及贵金属三者之间相互作用的普遍规律，为稀土元素在低温燃料电池中的开发应用提供新的思路和理论依据。

催化剂是燃料电池最核心和关键的材料之一，将稀土掺杂复合物应用于电催化，不仅对开发高性能燃料电池电催化剂，也对开发利用我国丰富的稀土自然资源具有重要意义。课题组在此背景下申请并获批此项目。一方面，本项目制备碳包覆稀土基复合材料，先后制备了碳包覆稀土氧化物、碳包覆稀土碳化物以及掺杂碳基电催化材料，并将这些材料主要用于氧还原等电催化应用。发现碳包覆稀土基材料中，碳层包覆的稀土复合物内核优于单稀土材料；碳层包覆的厚度是影响催化效果的重要因素，碳层的石墨化程度取决于热处理的温度；包覆碳层中的掺杂和稀土基内核共同作用对电催化产生作用，两者之间的协同效应是电催化效果好坏的重要决定因素。另一方面，本项目寻找高效的“氧化物-贵金属”体系：构建稀土基体系催化剂、改进碳基载体和负载物催化材料结构和组成、发展新催化剂制备方法，开发高效、稳定、经济的电催化剂。发现体系中氧化物能明显的提升贵金属的综合电催化效果，包括活性、抗中毒能力和稳定性等。稀土掺杂、包覆碳层及贵金属三者之间可实现相互协同提升催化剂电催化表现。项目筛选出一些优异催化性能的催化剂，如Sm2O3-CN-1100、NdCuOx@CN-1000、CeCx-NC，Pd3Sn/Se-C、AU-Pt/PMC、NP-PC、Fe-N-C、Pd-SnCoOx/C、Pd-NiOx-P/C等。本项目的研究工作为获得高效、稳定、经济、规模化的电催化材料提供了重要参考，项目中开发和研究的材料为燃料电池及相关电催化应用奠定了材料基础。