导电聚合物-贵金属纳米复合材料的原位可控合成及电催化性能

In electrocatalysis,enhancement of the mass transfer and loading capacity of the carriers as well as control over the size and distribution of noble metal nanoparticles on the carriers is of great significance to enhance the electrocatalytic properties of the materials. Starting from the electrocatalytic properties of noble metal nanoparticles and using conducting polymers as both the reducing agents and carriers, in situ growth of metal nanoparticles on conducitng polymer 1D nanomaterials and membranes and preparation of conducting polymer-noble metal nanocomposites through one-step interfacial polymerization will be conducted in this project. In situ modulation of the size, density and distribution of Au, Pt and Pd nanoparticles on conducting polymer carriers will be realized. The as-prepared conducting polymer-noble metal nanocomposites will be applied in electrocatalysis studies. Through comparative analysis of the electrocatalytic properties in different systems, the internal relations between the size, density, distribution of metal nanoparticles, charge transfer between conducting polymer and metal, and electrocatalytic properties will be interpreted.Through this project, we strive to a deeper understanding of the chemical reduction properties of conducting polymers, and a new way to prepare stable noble metal nanocatalysts. .The prepared conductive polymer-noble metal nanocomposites are expected as a kind of new catalysts that can be applied in fuel cells, electrochemical sensors and other areas.

在电催化研究中，提高载体的传质和担载能力以及合理控制载体表面贵金属纳米粒子的尺寸和分散性对提高材料电催化性能具有重要的意义。本项目从贵金属纳米粒子的电催化性能出发，以导电聚合物同时作为还原剂和载体，通过导电聚合物一维纳米材料和薄膜上纳米金属的原位生长和界面聚合一步法制备导电聚合物-贵金属纳米复合材料，实现导电聚合物载体上Au、Pt、Pd等贵金属纳米粒子尺寸、密度和分散性的原位调控；把导电聚合物-贵金属纳米复合材料应用于电催化研究，通过对不同体系电催化性能的对比分析，研究金属纳米粒子尺寸、密度、分散性及导电聚合物和金属之间电荷传递与电催化性能的内在联系。通过本项目的研究，可以更深入地揭示导电聚合物的化学还原规律，探寻制备稳定贵金属纳米催化剂的新途径，从而使导电聚合物-贵金属纳米复合材料有望作为新型催化剂在燃料电池、电化学传感器等领域中得到应用。

本项目按照研究计划进行，执行了所有研究内容，完成了研究目标。燃料电池和Li-O2电池使用的电催化剂以Pt/C为主，作为载体的C在应用中易被腐蚀，而Pt价格昂贵且储量有限。本项目以制备可替代Pt/C催化剂的电催化材料为目的，研究了导电聚合物-贵金属纳米复合材料、过渡金属氧化物以及氮掺杂碳材料的电化学性能，并对部分导电聚合物-贵金属纳米复合材料和贵金属材料的表面化学和光催化性能进行了研究。在Adv Mater等杂志发表SCI论文22篇，申请专利4项，协助培养博士生2人，培养硕士生4人。.调控反应温度和Pt2+浓度，在PPyNT表面可原位生长1.5 nm、分散均匀的Pt纳米颗粒(Pt NPs)。不同反应温度和Pt2+浓度下得到的Pt NPs尺寸一样，仅覆盖度不同。PPyNT/Pt0.01-80复合材料比商业Pt/C具有更高的催化活性，可能是由于PPyNT表面Pt的负载量使其成为一种良好的燃料电池催化剂。.采用界面聚合法制备了不同形貌的Au-PANI复合材料。其中，氯金酸浓度较低时，得到“棒棒糖”状的Au-PANI；氯金酸浓度较大时，得到的Au-PANI呈球状。因为表面的金纳米颗粒尺寸较小，具有较大的比表面积，Au-PANI复合材料在催化硼氢化钠还原4-NP中具有良好的催化性能。.通过一步溶液法在RGO表面制备了粒径为4-6 nm单分散的Mn3O4纳米颗粒，与单独的Mn3O4和RGO相比，Mn3O4/RGO复合材料利用两者间的协同作用对ORR表现出优异的催化活性。在非水电解质中，Mn3O4/RGO的ORR活性最好，优于Pt/C催化剂。作为Li-O2电池阴极时，起始放电容量高达~16200 mA/h/gcat。.采用溶液化学法制备了一系列具有不同结构和形貌的Cu2O纳米颗粒，其中纳米立方体Cu2O只暴露出了(100)晶面，而球状纳米多孔Cu2O同时暴露出了(111)和(100)晶面。只暴露出(100)晶面的Cu2O纳米颗粒比暴露出(111)晶面的ORR催化活性更好，且每个O2均是按4e-过程进行反应的。.相同功率下采用532 nm激光和高激光功率均可加快单个Ag颗粒上4NTP转化为DMAB的表面等离激元(SP)辅助催化反应；4ATP转化为DMAB中SP提供的是热效应，在H2或H2O的作用下DMAB可重新转变为4ATP，在这个还原反应中SP提供热电子。