分子组装制备单分散、小尺寸Pt合金负载多级孔碳催化剂

批准号:
21878030
项目类别:
面上项目
资助金额:
65.0 万元
负责人:
李静
依托单位:
学科分类:
B0809.光化学与电化学工程
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
毛占鑫、伍含月、王艺霖、宋乐乐、洪伟、张文静
国基评审专家1V1指导 中标率高出同行96.8%
结合最新热点,提供专业选题建议
深度指导申报书撰写,确保创新可行
指导项目中标800+,快速提高中标率
微信扫码咨询
中文摘要
Pt合金催化剂在电化学反应中的活性受到颗粒组成和尺寸的影响较大。针对目前溶液体系内化学还原难以对Pt合金的组成进行精确调控、以及合金尺寸无法进一步降低的问题,本申请提出“分子组装制备单分散、小尺寸Pt合金负载多级孔碳催化剂”的研究方案,在SiO2小球立方堆积的大孔模板内,利用两亲性嵌段共聚物的疏水链段、亲水链段分别同有机配合类金属前驱体和碳前驱体酚醛树脂之间强的相互作用,构建三者组装的有序胶束,形成金属前驱体和碳前驱体在分子尺度上的有序组装,再利用焙烧过程中嵌段共聚物和其他小分子的分解挥发,拉动金属原子逐步接近并部分嵌入还未全部碳化的酚醛树脂骨架,通过骨架的限域保护作用避免合金颗粒在更高温度碳化过程中团聚长大,最终形成单分散、小尺寸Pt合金纳米颗粒负载的多级孔碳。该方案除了能够有效降低合金尺寸,所采用的高温还原方法还可以精确调控合金组成,有望实现合金催化剂在电化学反应中催化活性的大幅提升。
英文摘要
Chemical reduction in a solution system with the assistance of some surface capping agents, is the most typical preparation route for Pt-based alloy nanoparticles loaded carbon materials, by which however it is difficult to tune the elemental compositions of the alloys and to achieve the particles with smaller sizes. Herein, we proposed a “self-assembly of the molecular precursors” route to prepare monodisperse ultrasmall Pt-based alloy nanoparticles loaded on hierarchically porous carbon. In the voids of SiO2 colloidal crystals, amphiphilic block copolymer, resol, and ligands contained metal precursors can be well self-assembled together into micelles, under the strong interactions between hydrophobic chains of block copolymer and metal precursors, and those between hydrophilic chains of block copolymer and resol. During calcination, decomposition of amphiphilic block copolymer would firstly drag the metal precursors to gradually approach and embed into the resol framework. And then when a higher temperature is used to conduct carbonization and metal reduction, the resol framework could protect the embedded metal species from aggregation and size growth, by which monodisperse ultrasmall Pt alloy nanoparticles loaded hierarchically porous carbon can be well produced. Apart from the size decrease, the high temperature directed reduction also allows an exact tuning of the compositions of the Pt alloy catalysts, which could improve their catalytic performances in a range of electrochemical reactions.
基于分子组装策略,本项目制备了一系列单分散超细Pt合金负载多级孔碳催化剂,大幅提升了电催化性能,并探索了催化剂组成、结构对电化学催化活性和稳定性的影响规律和机制。合成了sub-2 nm PtRu合金纳米晶催化剂,揭示了尺寸调控机理和表面活性剂疏水段的分子量高度正相关;制备了sub-3 nm六元、八元、十元高熵Pt合金催化剂,发现颗粒与碳载体之间强的平面接触是材料电化学稳定性高的主要原因;获得了传质通道完全开放、活性位点高度暴露的sub-4 nm PtCo/PtNi合金颗粒负载的空心碳球催化剂,通过将Pt载量提高至33 wt%,有效降低了阴极催化层厚度并大幅提升了传质和燃料电池性能;发展了分子组装联合化学键弱化策略,通过H在Pt、N上的自发强吸附,拉伸弱化Pt-Pt、Fe-N、Ni-N键,降低过程动力学能垒,制备了均匀负载1.55 nm Pt3Fe、1.25 nm Pt3Ni纳米晶的碳纳米管催化剂,以Pt3Ni为阴极的超低Pt燃料电池性能优异;首次制备了sub-1 nm Pt3Co合金催化剂,由其组装的燃料电池在3万圈方波循环后,初始质量活性保持率达91.5%,显著优于DOE 2025标准。这一系列超细合金催化剂有望在能源、催化、环境等领域中发挥重要作用。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Preparation of monodisperse ferrous nanoparticles embedded in carbon aerogelsvia in situsolid phase polymerization for electrocatalytic oxygen reduction
原位固相聚合制备嵌入碳气凝胶中的单分散铁纳米粒子用于电催化氧还原
DOI:10.1039/d0nr01219j
发表时间:2020
期刊:Nanoscale
影响因子:6.7
作者:Hong Wei;Feng Xin;Tan Lianqiao;Guo Aiming;Lu Bing;Li Jing;Wei Zidong
通讯作者:Wei Zidong
A sequential hydrogen-adsorption-assisted bond-weakening strategy for preparing sub-2-nm ordered Pt alloy nanocrystals
顺序氢吸附辅助弱键策略制备亚2纳米有序Pt合金纳米晶
DOI:10.1016/j.matt.2022.06.008
发表时间:2022-06
期刊:Matter
影响因子:18.9
作者:Xin Feng;Na Yang;Wenjing Zhang;Wei Hong;Lianqiao Tan;Fangzheng Wang;Deen Sun;Wei Ding;Jing Li;Li Li;Zidong Wei
通讯作者:Zidong Wei
High-loading Pt-alloy catalysts for boosted oxygen reduction reaction performance
高负载量铂合金催化剂可提高氧还原反应性能
DOI:10.1016/j.cjche.2021.10.017
发表时间:2021-11
期刊:Chinese Journal of Chemical Engineering
影响因子:3.8
作者:Wei Hong;Xinran Shen;Jian Wang;Xin Feng;Wenjing Zhang;Jing Li;Zidong Wei
通讯作者:Zidong Wei
Enveloping ultrathin Ti3C2 nanosheets on carbon fibers: a high-density sulfur loaded lithium-sulfur battery cathode with remarkable cycling stability
碳纤维上包覆超薄 Ti3C2 纳米片:具有卓越循环稳定性的高密度载硫锂硫电池正极
DOI:10.1039/d0ta02374d
发表时间:2020-04-21
期刊:JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A
影响因子:11.9
作者:Gan, Ruiyi;Yang, Na;Wei, Zidong
通讯作者:Wei, Zidong
Unusual Role of the Surfactant in the Self-Assembly of Pt Alloy in Ordered Mesoporous Carbon: Tuning the Nanocluster Size
表面活性剂在有序介孔碳中铂合金自组装中的特殊作用:调整纳米团簇尺寸。
DOI:10.1021/acsami.2c10715
发表时间:2022-09-12
期刊:ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES
影响因子:9.5
作者:Mao, Zhan Xin;Zhang, Wenjing;Wei, Zidong
通讯作者:Wei, Zidong
定形多孔泡沫固- 固相变材料的储热单元设计研究
- 批准号:--
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2024
- 负责人:李静
- 依托单位:
基于化学键弱化策略的高载有序Pt合金催化剂的设计制备与低Pt燃料电池性能研究
- 批准号:--
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:54万元
- 批准年份:2022
- 负责人:李静
- 依托单位:
基于尺寸-应力协同调控的三元Pt合金催化剂的设计制备与低Pt燃料电池性能研究
- 批准号:n/a
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2022
- 负责人:李静
- 依托单位:
三维纳米孔高导热石墨烯复合相变材料的传蓄热特性研究
- 批准号:51606017
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:20.0万元
- 批准年份:2016
- 负责人:李静
- 依托单位:
国内基金
海外基金
