非贵金属氮化物/氧化物异质结构在碱性氢氧化反应中的应用研究
批准号:
22102169
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
杨阳
依托单位:
学科分类:
电化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨阳
中文摘要
阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)可以通过氢气和氧气反应直接将化学能转换成电能,是很有潜力的氢能利用技术。然而,其阳极的氢氧化反应(HOR)在碱性条件下进行缓慢,是其商业化应用的技术瓶颈。因此,设计制备高效、价格低廉的碱性HOR催化剂至关重要。传统的非贵金属催化剂HOR活性普遍较低,因其难以对反应中间体H*和OH*实现同时吸附。前期研究发现,异质结构催化剂界面处可以同时优化中间体的吸附过程,提升催化活性。本项目拟通过对复合金属前驱物进行煅烧和选择性氮化处理,利用不同金属氮化温度特异性,制备出特定的非贵金属氮化物/氧化物异质结构。利用某些氮化物的类Pt性质和异质结构中不同组分对H*和OH*中间体的吸附进行同步优化,提升其催化活性。同时拟利用先进的表征手段,结合密度泛函理论计算,探究异质结构界面组成和电子结构与HOR活性之间的“构-效关系”,为指导设计高效的非贵金属HOR催化剂提供新思路。
英文摘要
Alkaline exchange membrane fuel cells (AEMFC) can directly convert chemical energy into electricity through the reaction of hydrogen and oxygen, which is a promising hydrogen energy utilization technology. However, the sluggish anode hydrogen oxidation reaction (HOR) under alkaline conditions requires a large amount of precious metal catalyst, hindering the commercialization of alkaline exchange membrane fuel cells. Therefore, it is very important to design efficient and inexpensive HOR catalysts under alkaline condition. The traditional platinum group metal (PGM)-free HOR electrocatalysts is generally low in activity because they are difficult to achieve simultaneous adsorption of the reaction intermediates H * and OH *. Recent research found that the heterostructure interface can simultaneously optimize the adsorption process of intermediates and improve the catalytic activity. This project intends to prepare specific non-precious metal nitride/metal oxide heterostructures by calcining and selective nitriding of metal precursors, utilizing the characteristics of different metal ion nitriding temperatures. Utilizing the Pt-like properties of some metal nitrides and different components in the heterostructure, we planed to simultaneously optimize the adsorption of H* and OH* intermediates to improve their catalytic activity. Meanwhile, we planned to use advanced characterization methods, combined with density functional theoretical calculations, to explore the “structure-activity relationship” between heterostructure interface and HOR activity, providing new insight to design other efficient non-precious metal HOR catalysts.
阴离子交换膜燃料电池的阳极氢氧化反应(HOR)在碱性条件下动力学过程非常缓慢,即使采用Pt等贵金属催化剂,其活性仍比酸性低约两到三个数量级,因此迫切需要设计高效、低廉的碱性HOR催化剂。近年来,科研人员基于双功能理论(OHBE理论)设计制备了很多异质结构催化剂,通过异质结构中的不同组分对HOR反应中H*和OH*中间体的吸附实现同步优化,大幅提升了HOR性能。虽然取得了很大的进展,但是目前报道的碱性HOR催化剂中Pt和其它贵金属的负载量仍然较高,而Ni基催化剂的活性也有待进一步提升,距离商业化应用仍有较大差距,发展遇到了一些瓶颈。基于此,我们通过设计多种Ru、Ni基异质结构实现了碱性HOR活性的大幅提升。在此基础上,还拓展研究工作并完成了以下内容:例如揭示和解决Ru基碱性HOR催化剂抗高电位失活现象,并提升其动力学活性;提出并设计了一种“将钌纳米颗粒负载到V-O基元掺杂的碳骨架上”的策略,通过改变碳基底功函数实现Ru和载体间的电荷转移调控,在碱性HOR中表现出优异的电催化活性和抗CO毒化能力;从反应动力学角度出发,通过调控Ni基异质结构催化剂界面功函数,促进氢溢流效应进一步大幅提升了Ni基催化剂在碱性HOR和燃料电池中的活性;通过高亲氧性稀土元素如Ce的引入,在Ru的周围构筑类酸性反应微环境,从而大幅提升其碱性HOR动力学过程等。该项目的实施对制备新型、高效的碱性HOR催化剂具有重要意义。
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批准号:42302049
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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:2023
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负责人:杨阳
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依托单位:
Thalidomide及其类似物靶向降解ZNF410诱导胎儿血红蛋白表达的分子机制研究
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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:杨阳
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依托单位:
国内基金
海外基金