介孔金属氮化物在燃料电池中的应用

The role of catalyst supports for fuel cell and other electronic devices is to provide large active surface area, to anchor catalyst nanoparticles and to prevent aggregation of the catalysts. The corrosion of carbon black as a catalyst support in fuel cell is a core issue for Pt based catalysts. It is easily oxidized at low potential. This corrosion is accelerated with Pt nanoparticles. Transition metal nitride (TMN) shows high corrosion resistance, and has higher conductivity than oxide. Previously, I discovered a novel way to synthesis mesoporous TMN (TM = Cr, Ti, V, Nb, Ta, W and Mo) at relatively high temperature by solid-solid phase separation, which may suitable for catalyst support in fuel cell and other application. The corrosion studies of these mesoporous TMN show CrN and NbN has higher chemical stability and longer range of electrochemical stability than other TMNs. Also, the electrochemical results show the systems of Pt or Pd nanoparticles on these high surface TMNs have better performance than commonly used Pt or Pd on carbon black systems. However, more homogeneous and better catalyst systems can be achieved by combining the advantages of stability and activity of different transition metals by using similar synthetic method.

催化剂载体是燃料电池的重要组成部分，主要起到固定催化剂和辅助催化剂保持大的活性表面积，更重要是防止催化剂在反应过程中发生聚合等作用。燃料电池中主要使用碳黑作为催化剂载体材料。然而在实际操作条件下碳黑易被腐蚀或氧化而导致催化剂失效。这是长期以来阻碍燃料电池得以普遍应用的核心问题之一。过渡金属氮化物（TMN）显示出高的耐腐蚀性，并具有高的导电性。申请人于2011年发现大比表面积纳米级介孔氮化物材料的合成方法。该方法已经获得美国专利。用此方法，申请人已对介孔二元氮化物（TMN）（TM = Cr，Ti，V，Nb，Ta，W and Mo）做了详细研究。研究发现在使用Pt或Pd作为催化剂的情况下，TiN或VN作为载体具有较好的辅助催化作用。介孔氮化物CrN和NbN具有较高的化学和电化学稳定性，但是对催化剂没有促进作用。申请人将继续探索同时具有高催化性能和良好的电化学稳定性的介孔三元氮化物材料。

燃料电池作为一种新型能源，运行过程中不排放污染物，并且具有高效转化率，是化石能源的理想替代品，在发电站，航天领域和电动车领域具有广泛的发展潜力与应用前景。但在燃料电池实现商业化应用的过程中,遇到的最大问题之一就是阴极氧还原反应的滞后与其贵金属（铂系）催化剂问题。本项目聚焦于过渡金属氮化物材料，首先从材料制备入手，不仅优化了一些氮化物的合成路线，还开发出了新的合成思路，积累了大量的过渡金属氮化物纳米材料。比如，首次通过凝胶态的煅烧法，用一种极其简单易行的方法合成出了Sn3N4纳米颗粒；通过氨气固固氮化法，首次合成出了具有立方相结构的三元氮化物Co3ZnN；选取尿素作为氮源，通过软尿素法一步合成出没有杂相的Ni2Mo3N；通过氨气氮化三元氧化物前驱体，制备出了三元介孔氮化物Co3Mo3N。此外，我们还制备了Ni3N@C、Co3ZnN/CB、Co3Mo3N@C等一系列二元及三元氮化物与碳材料的复合物。而后，对这些材料进行了结构物性分析与电催化氧还原性能的测试，探索了氮化物结构与性能之间的关系。研究表明，部分材料表现出了极其优越的电催化活性与稳定性，有些甚至可媲美商用贵金属催化剂，且价格低廉，循环稳定性佳。不仅如此，制备的多种材料还应用到了电催化氧还原之外的其他电化学催化反应中（如电催化析氢、析氧），也表现出了优异的性能。结合第一性原理计算与各种表征手段，进一步深入探索了过渡金属氮化物相关材料的催化机制与机理，为催化剂的设计奠定了理论基础。因此，这一系列低成本、高活性、高稳定性的过渡金属氮化物电催化剂对推动燃料电池的应用以及能源领域的发展具有重要意义。本项目目前发表SCI论文55篇，申请发明专利21项，其中授权1项。