离子液体电沉积Pt/改性石墨烯的形成机理与催化性能研究

Fuel cell is a kind of high energy efficiency, environmental friendly power generation technology，which has broad application prospects as a green energy efficient new system. However the higher catalyst price and lower service life hindered its commercialization. To solve these problems, we propose a new electrodepositon method in the ionic liquid for prepare Pt/modified graphene nano composite catalyst.. Modified graphene will be prepared as natural flake graphite as raw materials by a microwave hydrothermal method. The structures and morphologies will be characterized by Raman, FTIR, XRD, SEM, TEM and other methods. The particle size of 2~3 nm Pt particles on modified graphene fragmented highly will be prepared by electrodeposition method in ionic liquid electrolyte. The relationship between process parameters and particle size of the Pt nanoparticles will be established. And we will explore the formation mechanism of Pt nanoparticles in ionic liquids through electrochemical test and modern spectral technology. Then on this basis, we will prepare Pt/modified graphene fuel cell catalysts with high efficiency low Pt and study the stability and cycle performances.

燃料电池是一种能量利用效率高、环境友好的发电技术，作为一种绿色高效的新型能源系统具有广阔的应用前景，但其商业化应用主要受催化剂的成本及寿命的制约。针对这一问题，本项目提出了在离子液体中电沉积制备Pt/改性石墨烯纳米复合催化剂的新方法。. 本项目以天然鳞片石墨为原料，采用微波-水热法制备改性石墨烯，通过Raman、FTIR、XRD、SEM、TEM等方法对改性石墨烯的物相组成、结构、形貌进行表征。以改性石墨烯为载体，在离子液体电解液中电沉积高度分散的、粒径为2~3 nm的Pt颗粒，建立工艺参数与Pt纳米粒子粒径间的关系，同时采用电化学测试及现代光谱技术，探讨离子液体中Pt纳米颗粒的沉积机理。在此基础上制备高效低载铂量的Pt/改性石墨烯纳米复合燃料电池催化剂，研究催化剂的稳定性及循环性能。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种能量密度高、环境友好的发电技术，但阴极缓慢的氧还原反应限制了其商业化应用。目前，铂是最有效的氧还原催化剂，但铂的储量稀缺、价格较高。因此降低铂的载量对燃料电池的应用至关重要。针对这一问题，本项目研究了电沉积法制备铂催化剂。采用电沉积法制备铂催化剂时，铂容易沉积到载体电子导电性高的活性位点上，且暴露在载体的外面，不存在被粘结剂和载体覆盖的问题，从而极大地提高了铂的利用率，降低铂载量。. 首先研究了DMH体系脉冲电沉积铂纳米颗粒，得到了粒径为3~10 nm铂纳米颗粒。探究了DMH对沉积过程的影响机制，证实了DMH在沉积过程中能够有效增大阴极极化进而减小粒径的作用机制。为了进一步减小铂颗粒的尺寸，在离子液体[DEME][BF4]中进行了电沉积铂纳米颗粒的研究。结果表明，在离子液体中铂的平均粒径为2.38 nm，证明了离子液体体系电沉积制备铂纳米颗粒燃料电池催化剂的可行性，同时探究了离子液体中铂的电沉积机理。. 为了提高石墨烯载体的稳定性，以改进的Hummers法制备氧化石墨，以尿素为氮源，高温制备了氮掺杂石墨烯载体，探究了催化剂结构、组成与催化性能的关系，证实了石墨氮为氮掺杂石墨烯催化剂的氧还原活性组分。为了进一步提高载体的催化性能，研究了三维多孔氮磷共掺杂石墨烯的可控制备，探究了在燃料电池半反应中的催化性能，并对其结构、组成进行表征，建立了与催化活性之间的关系，通过DFT计算证实了氮磷共掺杂石墨烯催化剂的活性中心为Graphitic N-C-P结构，具有最高的HOMO能量及TOF，显示了其高的ORR本征活性。. 本项目还研究了以氧化石墨为碳源，尿素为氮源，醋酸铜为铜源，热解合成铜氮共氮掺杂石墨烯催化剂的制备工艺及在在燃料电池半反应中的催化性能。通过对其结构及组成表征和DFT计算，对Cu-N-G催化剂的活性位点进行实验论证和理论分析。