金属玻璃脱合金化制备燃料电池用纳米多孔催化剂

本文通过以密度泛函理论（DFT）为基础的计算方法，计算了一系列简化的团簇模型。计算结果表明Pd-Ni，Pd-Fe，Pd-Pt，Pd-Pt-Ni，Pd-Cu-Ni 以及Pd-Cu-Pt-Ni 的催化活性明显高于纯Pd，部分成分的催化活性已经达到纯Pt的催化水平。 试验结果表明，控制电压或预合金成分可以控制脱合金样品的成分和孔径尺寸。（1）对于PdNi纳米多孔金属制备，当PdNiP金属玻璃成分一定时，腐蚀电压越小，孔径越均匀、细小。Ni40Pd40P20较难被腐蚀，脱合金样品的Ni含量最低，孔径最小，而Ni70Pd10P20脱合金样品的Ni含量较高，孔径较大。在获得的纳米多孔金属中，Ni/Pd相近时，孔径越细小、均匀，能够提供的活性位点越多，催化性能越好，而孔径相近时，Ni/Pd越小，催化性能越好。Ni60Pd20P20脱合金样品的孔径细小、均匀，并且其Ni含量较低，因而其催化活性是所制得样品中最高。循环5000次后的循环伏安曲线与第一次扫描的循环伏安曲线基本重合。说明纳米多孔钯镍催化剂具有较高的稳定性。（2）对于PdNiCu纳米多孔金属制备，同一成分的非晶条带，腐蚀电压越小，孔径越均匀、细小。Pd含量一定的情况下，预合金的耐蚀性与Ni/Cu比有关，Ni/Cu在一定范围内，合金的耐蚀性增加。Pd30Ni10Cu40P20预合金在800mV电压下腐蚀得到的催化剂催化活性最高，并且在此电压下制得的催化剂稳定性高于Pd/C催化剂。纳米多孔钯中加入适量的Ni、Cu提高了Pd的催化活性。Ni以及Cu作为杂质原子埋植于Pd原子的环境中，引起的电子效应(即d-band电子移动)是这类合金催化剂催化活性提高的内在因素。（3）将Pd10Ni50Co20P16B 在0.8mol/L H2SO4 0.2mol/L H3PO4中脱合金，制备PdNiCo催化剂。样品孔径随电压增加，呈先下降后上升趋势。所获得的脱合金对甲酸的催化活性均高于Pd/C催化剂，同时催化稳定性均高于Pd/C催化剂，说明Ni、Co添加可以增加Pd的催化活性及稳定性。

燃料电池的迅猛发展对催化材料提出了更高要求。具有高比表面积的纳米多孔金属（NPM）是高效催化的一种理想材料。脱合金法能在室温大气状态下以固溶体或金属间化合物为预合金，制备出性能优良的NPM，但预合金体系相当有限，为寻求多元高效NPM设置了严重的障碍。针对这一问题，本项目将脱合金法与新型单相材料金属玻璃相结合，引入密度泛函理论计算，开拓一条高效易行、制备优质多元PNM催化材料的新途径。这不仅对推动燃料电池向高效率低成本方向发展具有重大现实意义，且将促进材料学、化学及理论数值模拟的相互交叉渗透发展，丰富相关研究领域的基础理论，具有重大学术价值。

原子层沉积（atomic layer deposition，ALD）是一种先进的薄膜沉积技术。利用ALD的技术特点和优势，可设计合成新型高效纳米催化剂，并可精确地调控催化剂的表界面结构。中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室研究员覃勇带领的研究团队，利用ALD技术设计制备出一种多重限域的Ni基加氢催化剂。与未限域的催化剂相比，多重限域的Ni基催化剂对于肉桂醛以及硝基苯的加氢催化反应的活性、稳定性得到显著的提高。相关工作近日发表在Angew. Chem. Int. Ed.。

微生物燃料电池MFCs是利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，可以应用于污水处理行业，在废水净化的同时实现能量回收，具有操作条件温和，清洁高效，可循环利用等优点。但目前，输出功率低，制作成本高是制约其实际应用的瓶颈。因此，提高阴极对氧还原反应ORR的电化学活性和降低阴极催化剂的制备成本是MFCs的研究重点之一。本项目计划制备石墨烯基纳米多孔粒子复合材料，拟结合石墨烯大比表面积，高导电性和好的生物相容性等特点以及纳米多孔材料表面活性位点密度高和选择性高等的优点提高其对ORR的催化活性，同时利用金属间和金属与石墨烯间的协同效应，通过对金属物种的选择和金属间比例的调节制备低铂或非铂的石墨烯基纳米多孔粒子复合材料应用于微生物燃料电池，解决铂价格昂贵且易中毒失效等问题。