一步合成担载型铂基纳米线网结构电催化剂及其电化学性能研究

Proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) is a clean and energy-efficient technology. Pt/C electrocatalyst is a key component of PEMFC. However, the commercialization is seriously impeded by the low durability of electrocatalysts. Carbon support is prone to corrosion under PEMFC operating conditions,leading to falling off and aggregation of platinum nanoparticles, that deteriorate the durability of PEMFC. In this regard, we propose to create supported platinum-based nanowire network electrocatalysts by combining soft templates with support. Inter-connected nanowire network has its intrinsic electrical conductivity and there is no need to rely on electrically conductive support for electron transport. When the support is partially corroded, the falling off and aggregation of Pt nanowire network will not take place. Moreover the electrical conductivity will not be affected, thus increasing the durability of the electrocatalyst. In addition, the nanowire network structure can be loaded on non-carbon supports, avoiding the problems of carbon corrosion. We expect to obtain a series of supported nanowire network alloy electrocatalysts with high durability in this study, that will facilitate the commercialization of PEMFC.

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种清洁、高效的新能源技术。Pt/C电催化剂是PEMFC的核心材料之一，然而其低耐久性限制了PEMFC的商业化。在PEMFC高氧化电位工况下Pt/C易发生碳载体的腐蚀，进而导致铂颗粒脱落、聚集，严重影响PEMFC的耐久性。针对这一问题，本项目拟利用模板剂与载体形成的模板-支撑双功能微观反应环境，一步制备支撑型铂基纳米线网电催化剂。结构连续的纳米线网自身具有导电性，电子传导不需要依赖载体实现。当载体部分被腐蚀，线网结构不会脱落、聚集，从而提高催化剂的耐久性。此外，结构连续的纳米线网电催化剂还可以担载在金属氧化物等非碳载体上，可以有效解决此类载体导电性差的问题，同时提高其耐久性。本项目的实施可以获得系列支撑型、高耐久性的铂或铂合金纳米线网电催化剂。拟采用的制备方法操作简单、快速、易于放大合成。本项目的开展，有助于加快PEMFC的商业化。

作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心材料之一，铂基电催化剂一直以来都是研究领域的热点。与低载量样品相比，高载量铂基电催化剂所制备的膜电极组件（MEA）厚度更薄，传质及水热管理也更为简单，因此高载量铂基电催化剂的制备具有重要的应用价值。然而，现有高载量铂基电催化剂的制备方法普遍缺乏对颗粒尺寸及其分布的控制，造成其氧还原（ORR）活性及耐久性均不够理想。我们通过构建包含软胶束模板及碳载体的双功能微观反应环境，开发了一种高载量铂基电催化剂的制备方法，实现了对颗粒尺寸及分布的精确控制。结合一种有效去除催化剂表面吸附的表面活性剂及副产物的方法，与对应载量的商品催化剂相比，所制备的高载量铂基电催化剂（59.9 wt%）表现出了更为优异的ORR活性及耐久性。所制备样品的氧还原（ORR）半波电位正移了8.4 mV。所制备样品的比质量活性（MA）为232.7 mAmg-1Pt，为对应载量商品催化剂的1.3倍（178.1 mAmg-1Pt）。所制备样品的比表面积活性（SA）为308.6 mAcm-2Pt，高出对应载量商品催化剂51%（204.9 mAcm-2Pt）。显著提高的氧还原活性主要是由于较小的平均粒径及较窄的粒径分布，使得其抗奥斯特-瓦尔德熟化的性能更强。为了进一步提高样品的ORR活性，我们将具有双功能微观反应环境的原位生长法与原子层沉积（ALD）技术相结合，通过在Pd3Au纳米颗粒表面选择性沉积厚度在1 nm左右Pt层，成功制备了一系列具有核-壳结构的Pd3Au@Pt/C催化材料。在随后的电化学性能测试中，Pd3Au@Pt/C表现出了更为优异的ORR活性（MA达到558 mAmg-1Pt），是对应载量商品Pt/C（JM）的2.4倍。通过本项目的实施，成功开发了一种高载量铂基催化剂的制备方法，可以较好地控制颗粒尺寸及分布，各项目相关性能均优于对应载量商品催化剂。