基于贵金属替代的新型动力燃料电池关键技术和理论基础研究863项目973项目模板

基于贵金属替代的新型动力燃料电池关键技术和理论基础研究863项目973项目模板内容摘要：

采用现代纳米技术与杂化、掺杂等方法，制备相应的非贵金属纳米电催化剂，发展 “自下而上 ”的纳米结构构建方法；从原子、原子簇和分子出发，探索载体和掺杂其他原子调控非贵金属催化剂的电子结构及其量子尺寸效应；通过化学识别、组织生长和有序组装，制备具有较高催化活性和耐久性的非贵金属催化剂。 (6) 贵金属完全替代 催化剂的制备方法研究 ：在上述研究基础上，通过质与量、粒径、粒度等影响因素的研究，建立电催化剂催化活性的多参数经验函数；通过载体的孔径分布、孔隙率、表面亲水 /疏水性、表面基团的合理调控，研制有利于质、热、电传输 迁移的电催化剂体系，完善非贵金属催化剂的制备方法与工艺参数，实现非贵金属催化剂的批量制备。 研究目标 ：通过本课题研究，揭示基于过渡金属合金、氧化物、氮化物、碳化物等非贵金属催化剂的表面电子结构与催化活性的构效关系；建立有效增强非贵金属催化剂催化活性与稳定性的设计方案；完善非贵金属催化剂的原位 /在线表征方法与测试技术；掌握过渡金属 与配体间的相互作用规律及其调控演进方法，丰富电催化剂的纳米限域理论； 为 非贵金属电催化剂的批量制备提供理论基础和实验依据。 形成批量放大制备工艺， 为 千瓦级动力燃料电池 技术验证 提供电催化剂材料。 研 制 35 种具有较高活性 和稳定性 的 S、 N、 B 元素掺杂的 非贵金属电催化剂；国内外核心刊物发表研究论文 6080 篇，申请发明专利 1015 项 ，培养中青年学术带头人 12 名，培养博士生 5 名、硕士生 12 名。 承担单位 ：重庆大学，中科院长春应用化学研究所 ，清华大学 课题负责人 ：魏子栋 主要学术骨干 ： 刘长鹏， 余丹梅、 张新波，郭建伟 经费比例 ： % 课题 2 贵金属部分替代纳米电催化剂的创制与催化活性及抗毒机理研究 本课题针对 贵金属部分替代纳米电催化剂 的制备成本与毒化现象，围绕提高纳米电催化剂的利用率 与耐久性，开展新型纳米电催化剂的设计合成、构效关系、抗毒机理等基础研究 ， 为后续课题的开展奠定理论基础与提供关键材料。 主要研究内容： (1) 核 /壳催化剂的设计与合成 ：基于对内核材料的表面物理、化学性质 (如：晶格参数、表面功能团、吸附物种和稳定剂 )的分析，设计合成以非贵金属或合金为内核，以贵金属或其多元合金为壳层的低载量贵金属纳米催化剂；借助外延生长、共还原、热分解、表面活 性 剂覆盖、取代反应、脱合金腐蚀等技术方法，实现球核和球壳的厚度、组成可控；考察核及壳层的组成对壳层结构的稳定作用和影响机制；通过电催化剂催化活 性的评估，优化合成方法与工艺参数。 (2) 低载量贵金属 非贵金属复合催化剂的设计与合成 ：深入研究过渡金属大环化合物 (如： Fe(II)、 Co(II)卟啉和 酞菁 )、 MnO2/C 等 非贵金属催化剂为载体，低载量贵金属及合金催化剂的制备方法；探索 非贵金属催化剂的微观结构、微区组成、表面物理、化学性质对贵金属及合金颗粒生长、稳定机制及其影响规律；考察非贵金属催化剂载体与低载量贵金属催化剂相结合产生协同作用和调控机制，进而提高复合催化剂的活性、稳定性以及反应动力学过程的选择性。 (3) 贵金属部分替代电催化剂的纳米限域效应研究 ：通过在 规整的纳米碳材料(碳纳米管和石墨烯 )上定向创制缺陷位或掺杂，形成纳米限域的环境和纳米限域效应，降低贵金属粒子尺寸，提高催化剂利用率；通过缺陷位的锚定作用，提高纳米颗粒在碳载体上的稳定性；利用载体 /缺陷位和金属颗粒之间的相互作用调变贵金属颗粒的电子结构，提高贵金属的抗中毒性能、降低贵金属的用量；深入研究在贵金属 /过渡金属氧化物体系中的界面限域效应对抗中毒和稳定性影响机制；探讨利用 Pd、 Au 等进一步降低 Pt 贵金属的用量。 (4) 高指数晶面结构合金纳米晶的制备方法研究 ：深入研究 {hkk} (hk)， {hhl} (hl)和 {hkl} (h≠k≠l)类晶面形成演进机制，优化制备条件，精细调控晶面指数 (h、 k、 l的数值 )；通过改变高指数晶面上的台阶原子密度和平台宽度，改善合金电催化剂的催化性能； 结合电化学原位红外光谱检测，对高指数晶面结构纳米晶表面修饰外来原子 (如 Au、 Ru、 Pb、 Sb 等外来原子 )，阻断毒性中间体 CO 的生成途径，提高催化活性与抗毒化能力；发展新方法，减小高指数晶面铂族金属纳米晶及合金纳米晶催化剂的粒径，提高贵金属利用效率，实现高指数晶面结构铂纳米催化剂的连续制备。 (5) 贵金属部分替代电催化剂 的稳定性研究 ：鉴于 贵 金属部分替代纳米电催化剂的尺寸一般较小，纳米粒子的团聚、流失现象严重。 本课题将重点研究在较高温度 (120176。 C 以上 )下、强酸或强碱环境中、较高电位下的氧化、腐蚀规律；考察电催化剂的微观结构、微区组成、合成方法等与稳定性的内在联系、影响因素、调控机制；阐明非贵金属材料作为载体对低载量贵金属催化剂的稳定作用和机理，掌握催化剂稳定化的调控方法和理论，制备高稳定性的电催化剂。 (6) 电催化剂的毒化机理与抗中毒能力研究 ：鉴于低载量贵金属催化剂中贵金属的用量较少，燃料气和空气中的杂质和毒物的毒化现象严重，本课题将采用电化学 红 外光谱、电化学 质谱、电化学 气相色谱和电化学阻抗谱等多种原位表征方法深入研究 CO、 CO H2S、 SO NH HCOOH 和其它有机小分子对纳米电催化剂的毒化过程和机理；设计抗中毒较低贵金属载量的催化剂；阐明电催化剂的组成、结构与抗毒能力的内在联系及其影响因素，研制具有较高抗毒能力的低载量贵金属电催化剂。 研究目标 ：通过本课题研究，揭示贵金属部分替代电催化剂的表面电子结构、尺寸、组成、形貌等与抗毒机制、耐久性之间的内在联系规律、电催化剂的中毒、失活机理；掌握创制具有较高催化活性、耐久性、抗 CO、硫化物等毒化的贵金属部分替代催化剂的制 备技术、工艺参数及其调控演进方法，形成完整的理论体系与工艺流程 ， 用于 10kW 动力燃料电池 技术验证。 研 制 35 种 抗毒化的 贵金属部分替代电催化剂 ， ORR 活性达到 (PGM) (@900mV, iRfree)；国内外核心刊物发表研究论文 6080 篇，申请发明专利 1015 项 ， 培养中青年学术带头人12 名，培养博士生 5 名、硕士生 12 名。 承担单位 ：中科院大连化学物理研究所，厦门大学 课题负责人 ： 宋玉江 主要学术骨干 ： 田 娜，汪国雄，张建鲁，陈声培 经费比例 ： % 课题 3 新型固态电解质膜 的分子设计与离子传输机制研究 本课题针对贵金属替代动力燃料电池所需的新型电解质 膜 ，围绕高温缺水环境中的质子传导与高效氢氧根传输等科学问题，开展碱性、高温电解质膜的结构设计、离子传输强化机制、低温氧离子传导薄膜、复合离子导体与仿生离子导体的研究探索， 为后续课题的开展奠定基础。 主要研 究内容： (1) 聚合物电解质的离子传输机制与结构模拟研究 ：针对 H+/OH传导型聚合物电解质的局部离子氛、分子链聚集结构以及离子传输过程，建立相关的理论模型；采用量子力学计算对局部离子氛进行精确描述，揭示官能团的构效关系；通过分子动力学模拟研究聚合物分子链的聚集结构，阐明离子传输通道的形成机制；采用多体耗散粒子动力学计算模拟工况条件下的离子输运迁移过程。 (2) 高温质子交换膜的构效关系与高效合成方法研究 ：研究在 80oC 以上缺水甚至无水条件下的质子传导机制，设计新型的质子传导官能团；设计具有穿插网络结构的含氟分子链，实现 对膜材料疏水 /亲水结构微相分离程度的调控；系统研究影响新型质子膜化学与机械稳定性的分子结构因素；考察含氟基团的高选择性引入方法及影响因素；探讨金属催化的高效碳 碳成键与碳 氟成键等关键化学过程与机理，实现高温质子交换膜的高效合成。 (3) 高温碱性聚合物电解质的分子设计与结构调控研究 ：研究在 80oC 以上可稳定工作的新一代碱性聚合物电解质。 设计具有全芳非共平面扭曲结构的杂环主链，使聚合物具有较高的热稳定性和化学可修饰性；深入研究调控亲水 /憎水域微观相分离的支链设计，使聚合物膜获得具有较高离子传输性能的有序纳米离子通道 ；考察聚合物抗溶胀能力的短程交联官能团设计以及聚合物抗氧化的分子机制，实现高温碱性聚合物电解质的结构调控。 (4) 低温氧离子传导薄膜的结构设计与传输机理研究 ：研究在 300500oC 条件下可实现氧离子传导的无机薄膜材料。 开展低温氧离子导体载流子传输机制的计算与模拟。 研究 CeO2 等材料的缺陷团簇及局域有序化对氧空位分布和迁移的影响，建立相应的理论模型。 研究晶粒尺寸及晶体学取向对电解质薄膜导电性能的影响，设计具有最适择优取向的膜结构。 完善低温氧离子传导薄膜的制备工艺与调控方案。 (5) 复合离子导体与仿生离子导体的探索研究 ： 研究离子液体 聚电解质复合材料的结构兼容性与协同离子传导机理，探索新型非水 H+/OH传导复合材料。 考察酸 /碱性金属氧化物的表面 H+/OH传导行为，以及与聚合物电解质高效复合的化学方法。 通过层状结构无机离子导体的构效关系研究，设计定向离子传导结构，合成仿生离子导体，探索类生物体内离子定向传输的分子机理。 研究目标： 通过本课题研究， 揭示碱性聚合物电解质与高温质子交换膜的离子传输、氧化降解机制；建立新型聚合物电解质膜的材料设计方案；完善具有穿插网络结构的高温聚合物电解质膜与碱性电解质膜的制备工艺以及调控方法； 研制35 种可直接用于技术验证的 新型固态电解质膜，为新型碱性聚合物电解质膜与高温质子交换膜的研究开发提供理论基础和实验依据。 新型固态电解质可在 80oC以上稳定工作，离子电导率高于。 高温质子交换膜可在 120176。 C 以上稳定工作，质子电导率高于 S/cm。 在 国内外核心刊物发表研究论文 3060 篇，申请发明专利 1015 项 ，培养中青年学术带头人 12 名，培养博士生 5 名、硕士生 10 名。 承担单位 ： 武汉大学，中科院上海 有机化学研究所 ，中科院大连化学物理研究所，清华大学 课题负责人 ： 庄 林 主要学术骨干 ： 胡金波，区定容，刘佩芳 ，张佑杰 经费比例 ： % 课题 4 有序化膜电极微 纳结构构建与界面极化损失研究 本课题针对膜电极内部 三相界面的形成稳定机制与界面极化损失 ，围绕强化传输迁移规律 与高效能量转化，开展有利于水、质、热、电传输迁移的多尺度、有序化膜电极的微 纳结构设计、模型建立、制备工艺等基础科学研究， 为后续课题的开展奠定理论基础与提供核心部件。 主要研究内容： (1) 有 序化膜电极微 纳结构设计与控制制备技术研究： 通过电解质膜、催化层、扩散层的模型分析，设计 有利于质子、电子、反应物、产物传输 迁移的具有有序“通道 ”的膜电极微 纳结构，提出适宜的微 纳米阵列结构参数；借助物理蒸镀、化学气相沉积、真空溅射、分子自组装等方法制备有序化膜电极；完善以电解质膜为基体有序化膜电极（ CCM 结构）和以扩散层为基体的有序化膜电极（ GDE结构）的控制制备技术；实现界面兼容性良好的多层复合膜电极的批量制备。 (2) 有 序化膜电极 三相界面形成稳定机制与模型研究 ：通过电化学方法、谱学显微技术、模型模拟等深入研究膜电极的微 纳结构、三相界面形成稳定机制；建立多尺度、多组分膜电极电化学反应与传递模型；考察膜电极内部聚合物浓度、孔隙率 、亲水 /疏水性、比表面等与电极反应界面的内在联系规律；确定不同离子传递特征下催化剂 /电解质 /反应气体三相界面的影响因素与演变规律。 (3) 有 序化膜电极的传输迁移行为与能量转换效率研究： 结合模型计算结果与现代表征技术，系统考察质子、电子、反应物、产物传输迁移行为、影响因素以及强化传输机制；结合旋转环盘电极、单体电池、电堆的性能测试，考察有序化膜电极电化学反应的能量转换效率；阐明 多孔电极与膜电极内部 水、质、热、电传输迁移规律；为多尺度、有序化膜电极的研制提供理论基础与实验依据。 (4) 有 序化膜电极的 界面兼容性 与极化损失研究 ： 通过上述研究工作的基础上，深入研究有序化膜电极界面电化学行为和界面物理、化学兼容性以及结构稳定性；考察有序化膜电极的界面结构与电化学极化、浓差极化、欧姆极化的内在联系及其影响因素，藉此确定调控策略； 阐明不同离子传递特征下的有序化膜电极的反应与传递特性； 完善有序化膜电极界面极化损失的理论模型。 (5) 碱性 AEMFC 与 ETPEMFC 有序化膜电极研究 ：针对碱性 AEMFC 与 ETPEMFC，开展 不同离子传递特征下的有序化膜电极的反应与传递特性研究； 通过多相自组装技术将催化剂载体和离子传导粘结相组成富含有序排列，形成纳 米尺度和微米尺度的有序双孔结构，强化反应气体、产物的传质过程。 考察不同工作条件下，膜电极内部 气体单相流和气 液两相流的传输迁移速率 ；为碱性 AEMFC 与 ETPEMFC膜电极的研制提供必要的理论基础与实验依据。 研究目标： 深入理解催化剂 /电解质 /反应气体三相界面的形成稳定机制；揭示膜电极的微 纳结构、孔隙率、亲水 /疏水性、比表面等与反应物、产物、中间体的传输迁移速率。