同轴电缆型一维铂基纳米复合物的制备及其在氢氧燃料电池中的应用

The H2-O2 fuel cells are a clean and high-efficient power-generation facility. However, some problems of Pt-based nanocatalysts, such as the sluggish kinetics of oxygen reduction reaction (ORR), aggregation of Pt-based nanocatalysts, the poisoning of Pt due to the impurity of fuel, insufficient expression of the H2-O2 fuel cell performance of Pt-based nanocatalysts and so on, result in the lower performance and stability of H2-O2 fuel cells. To solve these problems, this project proposal plans to cover the acid corrosion-resistant chemical modifications (for example, stannic oxide and so on), which are coated on the multiwalled carbon nanotubes, using Pt-based nanoparticles. By a series of aftertreatments, such as atmosphere treatment of high temperature, acid corrosion with the assistant of organic ligands (for example, methylamine and so on) and so on, the structure of one-dimensional Pt-based nanocomposites with the coaxial cable structure, such as surface composition, surface stress, interface and electronic state of Pt, will be controlled. Thus, the one-dimensional Pt-based nanocomposites with the coaxial cable structure are synthesized. And the influence mechanism of the structure of one-dimensional Pt-based nanocomposites with the coaxial cable structure to their ORR performance, anti-poisoning ability and H2-O2 fuel cell performance will be revealed for developing more high-efficient and stable one-dimensional Pt-based nanocomposites with the coaxial cable structure. And the more high-efficient and stable one-dimensional Pt-based nanocomposites with the coaxial cable structure will be used to assemble a H2-O2 fuel cell and great efforts will be done to make the performance of H2-O2 fuel cells to be close to the target of key and special research project for H2-O2 fuel cells of the ministry of science and technology in 2017, which has been made (the amount of platinum≤0.25g/kW, lifetime≥5000h). This project proposal will also provide some suggestions and references for exploiting high-performance H2-O2 fuel cells.

氢氧燃料电池是一种清洁高效的发电装置。然而，由于铂基纳米催化剂氧还原反应速率慢，颗粒团聚，燃料不纯使得铂中毒以及其在氢氧燃料电池中的性能表达不充分等问题，导致氢氧燃料电池的性能和稳定性较低。为解决该问题，本项目拟通过耐酸腐蚀的化学修饰物（如二氧化锡等）包覆碳纳米管，继而用铂基纳米颗粒包覆。并用高温气氛处理，有机配体（如甲胺等）辅助酸腐蚀等方法进行后处理，调控其结构，如表面组成、表面应力、界面和铂的电子态，从而合成同轴电缆型一维铂基纳米复合物。利用多种技术，揭示同轴电缆型一维铂基纳米复合物的结构对铂氧还原性能，抗中毒性能和其组装成氢氧燃料电池性能的影响机制。进而开发更高效稳定的同轴电缆型一维铂基纳米复合物，并组装成氢氧燃料电池，努力使其性能向着科技部制定的2017年燃料电池重大专项目标靠近（铂用量≤0.25g/kW，寿命≥5000h）。此项目研究也将为开发高性能的氢氧燃料电池提供借鉴和参考。

氢氧燃料电池是一种清洁高效的绿色发电装置。在世界气候碳中和的要求下，氢氧燃料电电池是解决绿色能源使用的关键技术之一。然而，由于铂基纳米催化剂氧还原反应速率慢，颗粒团聚，燃料不纯使得铂中毒以及其在氢氧燃料电池中的性能表达不充分等问题，导致氢氧燃料电池的性能和稳定性较低。为解决该问题，本项目拟通过耐酸腐蚀的化学修饰物（如二氧化锡等）和铂基纳米颗粒的紧密接触。并用高温气氛处理，有机配体（如甲胺等）辅助酸腐蚀等方法进行后处理，调控其结构，如表面组成、表面应力、界面和铂的电子态，从而合成氧化物界面稳定的铂基纳米复合物。利用多种技术，揭示铂基纳米复合物的结构对铂氧还原性能，抗中毒性能和其组装成氢氧燃料电池性能的影响机制。进而开发更高效稳定的铂基纳米复合物，并组装成氢氧燃料电池，努力使其性能向着科技部制定的2017年燃料电池重大专项目标靠近（铂用量≤0.25g/kW，寿命≥5000h）。此项目研究也将为开发高性能的氢氧燃料电池提供借鉴和参考。.在研期间，设计制备在碳纳米管上用缺陷丰富的二氧化锆稳定铂钴纳米合金颗粒的催化剂。实验结果显示其氧还原质量活性性能是商业Pt/C的4.1倍，经过50000次循环后，其氧还原质量活性还保持98.3%。而商业Pt/C经过50000次循环后，只保持56.3%的性能。氢空气全电池在合成催化剂载量只有商业Pt/C四分之一的条件下(0.04mg/cm2)，其电力输出功率超过商业Pt/C组装的全电池输出功率（367W/cm2)，达到485W/cm2。电池经过50000次循环后，仍保有93.9%的最大功率，但商业Pt/C催化剂经过30000次循环后，只保有60.4%的最大功率。在0.6V电池实际工作电压下， 制备的催化剂的电池经过50000次循环后，只损失24.4% ，而商业Pt/C催化剂的电池经过30000次循环后损失71.5%。这种优越的设计合成策略为下一步的催化剂设计合成打下比较坚实的基础。.在此基础上，我们系统研究铂基材料的合金度，非铂催化剂的制备方法，电池的测试组装工艺对氢氧燃料电池的影响机制。.通过本项目资助，揭示碳材料和氧化物材料界面对铂基纳米材料氧还原性能的影响机制，及其对氢氧燃料电池电力输出性能的影响，为下一步后续继续研发高性能的氢氧燃料电池打下坚实的基础。