燃料电池铂基八面体合金催化剂的微观结构调控及电池性能研究
批准号:
21676204
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
李冰
依托单位:
学科分类:
光化学与电化学工程
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
张存满、周伟、王珏、耿振、秦聪伟、陆智尧、王达斌
中文摘要
本项目以克服质子交换膜燃料电池传统阴极催化剂氧还原动力学较慢、耐久性偏低、成本较高等问题为出发点,研究PtNi/C八面体合金催化剂的制备方法及其中的科学问题。本项目将从催化剂结构调变和组成控制两个方面进行,拟用无表面活性剂(DMF)有机溶胶法制备PtNi/C八面体合金催化剂。通过调控升温速率、反应温度、时间和结构控制剂等合成条件以实现“爆发成核”和“定向生长”过程,获得均匀分布的PtNi/C八面体合金催化剂。采用表面镀铂、表面掺杂、三元合金等方法对上述催化剂进一步改性。研究PtNi/C八面体合金催化剂作为燃料电池阴极的发电性能和耐久性,并分析其高活性和长耐久性机理。本项目研究不仅会对燃料电池技术进步起到积极推动作用,还会增进对PtNi/C八面体合金催化剂形成机制和控制策略的理解,从而加深对燃料电池催化剂复杂体系“制备-结构-性能”关系的认识。
英文摘要
This project is designed to overcome the problems in traditional cathode catalysts of proton exchange membrane fuel cells, including the sluggish oxygen reduction reaction kinetics, the relatively low durability and the high cost, and it also investigate the preparation methods and the scientific problems of PtNi/C octahedral alloyed catalysts. This project will be implemented by controlling structure and composition of catalysts, and we will prepare PtNi/C octahedral alloyed catalysts using the surfactant-free (DMF) organosol method. We will regulate synthesis conditions, such as heating rate, reaction temperature, time and structure-directing agents to achieve “burst nucleation” and “oriented growth” process, and obtain octahedral catalysts with uniform distribution. Then these catalysts will be further modified by surface-Pt plating, surface-doping or ternary alloy. We also investigate the cell performance and durability using PtNi/C octahedral alloyed catalysts as fuel cell cathode, and analyze mechanisms of the high activity and long durability. This project will not only play a positive role in promoting the progress of fuel cell technology, but also will increase understandings on the formation mechanism and the control strategy of PtNi/C, and thereby deepen understandings on the relationship of "preparation-structure-performance" of the fuel cell catalyst complicated system.
Pt催化剂的高成本和较低的活性和耐久性一直制约着燃料电池的实际应用,使得设计与制备高效、低成本的电催化剂具有重要意义。本项目从催化剂的结构和组成调变两个方面展开,研究PtNi/C八面体催化剂的微观结构调控技术,制备高活性、长耐久PtNi/C八面体催化剂,明确其形貌调控和活性提升机理,并考察其单电池发电性能及耐久性。项目首先采用无表面活性剂有机溶胶法,通过研究反应温度、时间、投料比等条件对晶体形成过程的影响,确定了该方法的最佳制备条件。其后通过添加结构导向剂CTAB优化了八面体催化剂性能,其中添加4 mM CTAB,在160 °C反应12 h制备的样品质量比活性和面积比活性分别达到了Pt/C(JM)的6.1和6.6倍。在阴极上使用该催化剂的MEA表现了良好的发电性能,其最大功率密度和在1000 mA cm-2处的电池电压比商业Pt/C制备的参比提高了160.2 mW cm-2和34 mV。在100 h恒电流耐久性测试后,该样品的单电池耐久性也有所提升。为改善催化剂在单电池高电势下的耐久性,选用碳纳米管(CNTs)和高温处理的石墨化载体(GC)制备了PtNi八面体催化剂。后者兼顾了良好的电化学和单电池性能,所制备的PtNi/GC八面体催化剂质量比活性和面积比活性达Pt/C (JM)的5倍和7倍以上。在1000 mA cm-2电密下的电池电压和最大功率比Pt/C (JM)制备参比提高了23 mV和13.2 mW cm-2。且高电势测试后该样品的上述参数仅降低了5.6%和8.4%,远低于参比。基于上述结果,对PtNi八面体催化剂的形貌调控、活性增强机理进行了研究。提出了八面体晶体的“爆发成核”和“定向生长”形成机理,指出较高升温速率、较长反应时间、较低反应温度和添加结构导向剂等措施可调控八面体晶体形貌。明确了有利于四电子氧还原过程的PtNi合金(111)晶面、PtNi的合金化及活化后形成的次表层富集Ni的铂壳合金结构是提升PtNi八面体纳米晶体催化剂ORR活性的主要原因。综上所述,本项目的研究能够增进对PtNi/C八面体催化剂形成机制和控制策略的理解,加深对燃料电池催化剂复杂体系“制备-结构-性能”关系的认识,对燃料电池技术进步和实际应用起到积极推动作用。
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From rotating disk electrode to single cell: Exploration of PtNi/C octahedral nanocrystal as practical proton exchange membrane fuel cell cathode catalyst
从旋转盘电极到单电池:PtNi/C八面体纳米晶作为实用质子交换膜燃料电池阴极催化剂的探索
DOI:
10.1016/j.jpowsour.2018.10.010
发表时间:
2018-12-01
期刊:
JOURNAL OF POWER SOURCES
影响因子:
9.2
作者:
[Wang, Jue, Li, Bing, Zhang, Cunman]
通讯作者:
Zhang, Cunman
Preparation condition optimization and characterization of PtNi/C octahedral nanocrystal catalyst for ORR
PtNi/C八面体纳米晶ORR催化剂制备条件优化及表征
DOI:
--
发表时间:
2018
期刊:
ECS Transactions
影响因子:
--
作者:
[Jue Wang, Bing Li, Daijun Yang, Hong Lv, Cunman Zhang]
通讯作者:
Cunman Zhang
High performance octahedral PtNi/C catalysts investigated from rotating disk electrode to membrane electrode assembly
从旋转盘电极到膜电极组件研究高性能八面体 PtNi/C 催化剂
DOI:
10.1007/s12274-018-2211-9
发表时间:
2019-02-01
期刊:
NANO RESEARCH
影响因子:
9.9
作者:
[Li, Bing, Wang, Jue, Zhang, Cunman]
通讯作者:
Zhang, Cunman
Preparation of a Graphitized-Carbon-Supported PtNi Octahedral Catalyst and Application in a Proton-Exchange Membrane Fuel Cell
石墨化碳负载PtNi八面体催化剂的制备及其在质子交换膜燃料电池中的应用
DOI:
10.1021/acsami.9b17248
发表时间:
2020
期刊:
ACS Applied Materials & Interfaces
影响因子:
9.5
作者:
[Jue Wang, Qiong Xue, Bing Li, Daijun Yang, Hong Lv, Qiangfeng Xiao, Pingwen Ming, Xuezhe Wei, Cunman Zhang]
通讯作者:
Cunman Zhang
DOI:
--
发表时间:
2016
期刊:
Catalysts
影响因子:
3.9
作者:
[Congwei Qin, Jue Wang, Daijun Yang, Bing Li, Cunman Zhang]
通讯作者:
Cunman Zhang
共 9 条
MAB_2355c抑制DNA错配修复驱动脓肿分枝杆菌对克拉霉素耐药的机制研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:53万元
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批准年份:2022
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负责人:李冰
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依托单位:
无人机辅助的广域空地协同物联网数据采集和中继传输关键技术研究
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批准号:--
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:30万元
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批准年份:2022
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负责人:李冰
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依托单位:
面向大规模广域物联网的无人机辅助通信组网和数据传输研究
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批准号:22ZR1463600
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2022
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负责人:李冰
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依托单位:
燃料电池铂基催化剂浆料微团簇构筑过程及稳定机理研究
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:58万元
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批准年份:2021
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负责人:李冰
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依托单位:
转录因子RV0678通过调控转运蛋白MmpS3/MmpL3表达介导脓肿分枝杆菌对克拉霉素耐药的机制
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批准号:81800003
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:21.0万元
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批准年份:2018
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负责人:李冰
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依托单位:
高糖环境诱导ROS及内质网应激与糖尿病相关干眼的关系
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批准号:81400373
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:23.0万元
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批准年份:2014
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负责人:李冰
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依托单位:
燃料电池阴极Pt-Fe/C纳米线粒体网络电催化剂研究
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批准号:21206128
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2012
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负责人:李冰
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依托单位:
国内基金
海外基金