基于XAS原位测试和定量分析的Pt肤氧还原电催化剂结构与性能优化
批准号:
22072085
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
王小明
依托单位:
学科分类:
电化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王小明
中文摘要
氢氧燃料电池商业化的一个重要挑战就是降低氧还原反应中Pt的负载量。由Pd或Au基底粒子支撑的超薄(大概1-2原子层)Pt肤可以实现非常高Pt的利用,然而调控其活性/稳定性的机制仍然不清楚。在本项目中,我们计划以同步辐射XAS的原位测试和定量分析为主要手段,以基底粒子结构(尺寸、晶面比例和晶面缺陷)的可控合成为先导,去逐步厘清基底粒子结构对Pt肤键长的影响,Pt肤键长与活性的关系,稳定性衰减时起决定作用的基底粒子或Pt肤变化,从而实现从基底粒子到Pt肤的针对性结构优化以得到高性能。本课题的顺利实施,可以为高效Pt肤氧还原电催化剂的理性开发奠定基础,从而推动氢氧燃料电池在电动汽车中的实际应用。
英文摘要
One of the great challenges in the commercialization of H2-O2 fuel cells is to reduce Pt loading in the oxygen-reduction reaction. Ultrathin (near 1-2 atomic-layer thickness) Pt-skin, supported on Pd or Au substrate-nanoparticles, can realize very high Pt utilization; however, the mechanism for tuning its catalytic activity/stability remains unclear. In this project, based on the in-situ measurement and quantitative analysis of synchrotron radiation XAS and started by the controllable synthesis of Pd and Au substrate-nanoparticle structure (such as particle size, facet ratio and facet defect), we plan to gradually clarify the influence of substrate-nanoparticle structure on Pt-skin bond distance, the correlation between Pt-skin bond distance and oxygen-reduction activity, and the structural changes of substrate-nanoparticle or Pt-skin in charge of durability degradation, aiming for the targeted structural optimization ranging from substrate-nanoparticle to Pt-skin toward high-performance. The successful achievement of this project can establish a fundamental basis for the reasonable development of high-performance Pt-skin oxygen-reduction electrocatalysts, which paves the way for the practical application of H2-O2 fuel cells in electric vehicle.
氢氧燃料电池商业化的一个重要挑战就是降低氧还原反应中Pt的负载量。由Pd或Au基底粒子支撑的超薄(大概1-2原子层)Pt肤可以实现非常高Pt的利用,然而调控其活性/稳定性的机制仍然不清楚。在本项目中,我们依靠同步辐射X射线吸收技术的原位测试和定量分析,系统研究了Pd基底粒子结构对Pt肤键长的影响,Pt肤键长和活性的关系,Pt肤衰减机制等关键问题。研究发现如下重要结果。第一,Pd基底粒子的尺寸对Pt肤键长的影响最小,随着Pd基底粒子的尺寸降低,Pt肤键长轻微变小;Pd基底粒子的表面结构对Pt肤键长的影响最大,随着Pd基底粒子的表面粗糙度增大,Pt肤键长剧烈变小;Pd基底粒子的晶面对Pt肤键长的影响适中,随着Pd基底粒子的(111)晶面增多,Pt肤键长适度变小。第二,Pt肤键长和活性呈现火山型关系,最佳键长为2.695Å,在该键长下可产生15倍于商业碳载Pt的质量活性。第三,Pt肤在氧还原中会逐渐结构破坏并生长成团簇,作为结果Pd基底粒子暴露。这些发现为理性裁剪Pd或Au基底粒子的结构从而实现Pt肤键长调控以获得高氧还原性能提供了明确指引。
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