基于CeO2纳米管的氮掺杂原位碳化对担载型Pt催化剂的稳定性影响及机理研究

Direct methanol fuel cell (DMFC) has renewable and environmental advantages with continuous conversion from chemical energy to electric energy. However, high cost and short life-span are two urgent issues in DMFC development, and the durability of catalyst is the key factor influencing the life of the cell. So this project plans to select transition metal doped CeO2 nanotubes as novel support, to synthesize high conductive and ultrahigh durable catalyst via N-doped in-situ carbonization method, which is on the basis of the optimization of in-situ carbonization. The investigation focus on the effect of nitrogen content, nitrogen forms, nitrogrn functional groups and C/N atom ratio on the durability of catalyst. Finally, combined with quantum chemical calculation, to reveal the molecular-level effect mechanism on enhanced durability via N-doped in-situ carbonization based on transition metal doped CeO2 nanotubes support. The implementation of this project will provide a new method to solve the durability problem of catalyst, promoting the development of fuel cells.

直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种将化学能连续转换为电能的可再生环保型能源，但DMFC发展过程中还存在一些亟需解决的关键问题，如制备成本高、电池寿命短等，其中催化剂的稳定性是影响电池寿命的关键因素。因此，本项目拟以过渡金属掺杂的CeO2纳米管为新型催化剂载体，在优化原位碳化法基础上，拟用氮掺杂原位碳化法合成具有更高导电性和稳定性催化剂，重点研究掺氮含量、掺氮形式、掺氮官能团种类、C/N原子比等对催化剂稳定性影响，最后结合量子化学计算，从分子水平上揭示过渡金属掺杂CeO2纳米管的氮掺杂原位碳化对提高催化剂稳定性的微观影响机制。本项目的实施将为解决DMFC催化剂稳定性问题提供一种新的方法，对促进燃料电池发展具有重要意义。

直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种将化学能连续转换为电能的可再生环保型能源，其中DMFC催化剂的稳定性是影响电池寿命的关键因素。本项目首次采用氮掺杂原位碳化新方法来提高二氧化铈载铂和碳载铂(Pt/CeO2、Pt/XC-72)催化剂活性和稳定性。利用氮掺杂碳原位碳化过程中产生的碳化层不仅提高载体导电性，同时抑制Pt纳米粒子迁移和团聚，极大地增强了催化剂稳定性，有效地解决了催化到导电性差问题。深入研究了氮掺杂碳源种类、氮官能团种类、氮掺杂碳含量、碳化时间、碳化温度等因素对增强催化剂性能的影响，同时还进行了催化剂形貌控制及性能研究。研究结果表明： 采用1-乙基 -3-甲基咪唑二氰胺离子液体作为掺杂氮碳源时，随着包覆的氮掺杂碳量增加，催化剂的活性呈先上升后下降趋势，当离子液体包覆量为15μL时，催化剂催化活性和稳定性最佳，其甲醇氧化正扫峰的峰电流密度约是未经修饰Pt/CeO2催化剂的3.5 (0.083 A mg−1 Pt); 从稳定性测试结果看出（i–t 曲线），Pt/CeO2-15μL的在3600秒时的电流密度是Pt/CeO2的3.3倍；经加速老化测试，Pt/CeO2的ESA下降了31.8%，而Pt/CeO2-15μL的ESA仅下降了20.7%，说明经过离子液体碳化修饰后的Pt/CeO2催化剂的稳定性大大提高。采用聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)作为氮掺杂碳源时，包覆 15 % PVP的Pt/CeO2催化剂活性和稳定提高最高，催化剂的活性提高83% ，稳定性提高11.1%；最佳碳化时间为 60 min 为，最佳碳化温度为400 ℃；采用不同的氮掺杂碳源1-乙烯基-3-乙基咪唑硝酸盐离子液体，PVP和1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺离子液体修饰Pt/XC-72催化剂，结果表明由1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺离子液体原位碳化后得到的氮掺杂的碳对Pt纳米粒子以更小的粒径更好的分散在载体表面的效果更有利，催化性能最佳。氮元素的掺杂，不仅提供电子增强了载体表层电子密度，改变了载体的性质，而且通过与Pt纳米粒子间的相互作用，使Pt纳米粒子以更小的粒径更加均匀地分散在载体表层，提高了催化剂稳定性的基础上，大大提高了催化剂的活性。本项目的实施为解决DMFC 催化剂稳定性问题提供一种新的方法，对促进燃料电池发展具有重要意义。