一种无质子膜的直接甲醇燃料电池模型及其性能评估

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有理论比能量密度高和结构紧凑等优点,在便携式电源方面应用前景广阔。在阴阳极均使用Pt基催化剂的DMFC中，由于催化材料缺乏选择性，质子交换膜是关键材料，它具有传导质子并将阴阳两极分开的双重作用，而高昂的价格和脆弱的抗甲醇渗透能力成为DMFC商业化的主要障碍。本项目针对现有DMFC选择性电催化剂的不足开发具有复合结构的金属基纳米电催化剂。在深刻理解DMFC催化机理的基础上，设计金属基复合纳米材料，充分利用晶格应变和电子耦合效应调整材料的催化性能，不仅使材料具有理想的催化活性，而且使材料对甲醇氧化或氧气还原具有很好的选择性，以期使使用这些催化材料的DMFC可以降低甚至摆脱对质子交换膜的依赖。本项目旨在有效解决金属基复合材料的可控合成、建立复合材料中的物理化学效应与材料催化性能的本征联系，为研制出低成本、高活性、具有选择性的DMFC新型催化剂奠定理论和技术基础。

项目执行以来，申请人课题组致力于贵金属基纳米材料合成、结构调控和应用领域的研究，沿着“发展普适性纳米材料制备技术→调控纳米结构→解析物理化学效应→提高催化性能”这一条科研主线，立足湿化学法基础科学，努力创新，注重实验研究与理论探索相结合，在贵金属基选择性电催化剂的制备技术上创新、科学现象探索和新原理应用等方面取得了一系列的创新性研究进展，为高性能直接甲醇燃料电池催化剂的研发打下了坚实基础，出色地完成了预订的目标任务并借助项目执行过程形成了稳定的科研团队。.主要研究成果包括：.(1)根据Ag在金属纳米材料中由内向外扩散这一特殊现象，使用Ag纳米颗粒作牺牲模板，发展了一个易于实现且具备普遍意义的方法制备中空和摇铃型贵金属纳米材料。特别的，利用不同大小的反应物分子在摇铃型纳米颗粒多孔壳层中扩散特性不同，实现了直接甲醇燃料电池阴极Pt基氧气还原催化剂优良的抗甲醇性能。.(2)发展了一个普适性的技术制备Ag2S和中空结构贵金属构成的复合纳米材料。由于Ag2S和贵金属之间的电子耦合作用，所制备的含Pt的异质二聚体对甲醇氧化显示了优良的催化特性。这一部分的研究对通过调控复合纳米材料结构提高其催化活性能够提供一些指导意义。.(3)在调控双组元贵金属纳米材料的形貌结构方面，成功制备出一种星星状的Ag-Pt双组元贵金属异质结构纳米材料，可望实现对其催化性能的调控，进一步实现纳米材料的多功能化。进一步研究发现，如果以孪晶结构Au颗粒取代Ag颗粒作为内核，可以发展成为一种更为普适的技术制备二元或多元树枝状异质结构纳米颗粒，例如Au-Pt、Au-Pd、Au-Ru、Au-Ir等。.(4)发现了一个通过结构转化的现象制备高氧气还原反应活性的多面体Cu3Pt中空合金纳米催化剂。而由于颗粒表面Pt原子的比例较低，与Cu-Pt核壳结构相比，Cu3Pt合金结构对甲醇氧化反应的活性较差，可以作为直接甲醇燃料电池中阴极一侧氧气还原反应的选择性催化剂。.项目执行期间发表SCI论文45篇，中文核心论文6篇，中英文专著各一部，英文书目1章节，其中中文专著《贵金属基超结构纳米材料》入选中国科学院白春礼院长主编的《纳米科学技术大系》，受国家出版基金全额资助；培养博士生3名，硕士生4名。