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PEM析氧催化剂的表界面氧的调控及其析氧性能的研究

批准号:
22078059
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
胡飞
依托单位:
学科分类:
反应工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
胡飞

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
质子交换膜电解技术的高功率密度使未来利用电化学技术制造低成本可再生能源成为可能。如何同时提高PEM析氧催化剂的活性和稳定性,突破两者之间的反比例关系,是十分重要也非常困难的科学问题。受到晶格氧对烧绿石结构PEM析氧催化剂活性和稳定性影响的启发,本项目提出合金元素对PEM析氧催化剂的表界面氧的调控,以达到活性和稳定性的双效提升的研究思路。合金元素能够改变表界面氧的状态如:氧化状态、氧空位浓度、配位环境、相结构、费米能级、电子能带结构、键的共价性、与氧的结合力等等,还涉及到OER反应过程由吸附氧的反应路径(AEM)向晶格氧的反应路径(LOM)的改变。我们将结合课题组的科研优势,实现PEM析氧催化剂的宏观导电性;通过合金元素的调整实现电化学活性与稳定性的的双效提升;研究活性结构演化过程,评价表界面氧的抗氧化腐蚀性和PEM析氧催化剂的长期稳定性。
英文摘要
Thanks to the high power density of PEM electrolyzer, it is possible to produce low-cost renewable fules by electrochemical technology in the future. There exits an important aswellas a difficult scientific issue, that is how to simultaneously improve the activity and stability of PEM catalysts for oxygen evolution reaction, and how to break through the inverse relationship between them. Inspired by the lattice oxygen effect on pyrochlore structure catalysts, we proposes an alloy-effect on the surface and interface oxygen of PEM catalyst, so as to achieve the improvement of activity and stability. Alloy-effect could change the state of surface oxygen, such as oxidation state, oxygen vacancy concentration, oxygen coordination, catalyst phase, Fermi energy, electronic band structure, covalence, etc. It may also be related to the change of OER mechanism between AEM and LOM. Based on our research advantages, we in this project would realize the macro-conductivity of PEM catalyst; through the alloy-effect improve the electrochemical activity and stability; and evaluate the corrosion resistance and the long-term stability of PEM catalyst.
质子交换膜电解技术的高功率密度使未来利用电化学技术制造低成本可再生能源成为可能。如何同时提高PEM析氧催化剂的活性和稳定性,突破两者之间的反比例关系,是十分重要也非常困难的科学问题。本项目提出合金元素对PEM析氧催化剂的表界面氧的调控,以达到活性和稳定性的双效提升的研究思路。我们研发了超稳的自支撑-自稳定纳米通道IrW,其过电位仅为~ 497 mV时达到2 A·cm-2的电流密度,并在100 mA·cm-2下保持至少800 h的超稳定气体释放,降解率仅为~4 μV·h-1。对于质子交换膜(PEM)水电解槽来说,Ir最小化仍然是一个具有挑战性的任务,我们研发的掺硼氧化铱纳米针(B-IrO2),OER质量活性为2589.1 A·gIr−1,Ir负载为0.08 mg·cm-2,B-IrO2催化剂也应用于MEA,在PEMWE中呈现高达2.8 A·cm-2的大电流密度。在对于非贵OER催化剂的研究中,采用程控静电打印机制备了Na掺杂的Co3O4,Na-Co3O4在0.5 M H2SO4的酸性介质中高效稳定地工作将催化剂注入单电池PEMWE中,在1.62 V电压下,电流密度可达到100 mA·cm-2。该材料在PEMWE的放大阳极中显示出良好的应用潜力。为国家双碳目标,我们还研发了阴极二氧化碳还原催化剂,我们研发了一种独特的催化剂,即无定形CuTi合金(a-CuTi@Cu)上的配位不饱和Cu位点用于电催化CO2还原成多碳(C2-4)液体燃料。在0.8 V下,总C2-4法拉第效率约为49%。
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