长沙理工大学大学生创新训练项目申请书.docx

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1、长沙理工大学大学生创新训练项目申请书项目编号项目名称PtRuMo/Cee)X催化剂的制备及其电催化甲醇氧化性能研究项目负责人赵思源联系电话所在学院材料科学与工程学院学号专业班级材料类1905指导教师张怡琼E-mail申请日期2020年6月30日起止年月2020年6月至2022年6月长沙理工大学填写说明1、本申请书所列各项内容均须实事求是，认真填写，表达明确严谨，简明扼要2、申请人可以是个人，也可为创新团队，首页只填负责人。“项目编号”一栏不填。3、本申请书为大16开本（A4）,左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。4、负责人所在学院认真审核，经初评和答辩，

2、签署意见后,将申请书（一式两份）报送XXXX大学项目管理办公室。基本情况项目称Pt-RU-Mo/CeOx催化剂的制备及其电催化甲醇氧化性能研究所属学科学科一级门：工学学科二级类：材料类申请金额20000元起止年月2020年6月至2022年6月负责人姓名赵思源性别男民族汉族出生年月2000年12月学号联系电话宅：手机：指导教师张怡琼联系电话宅：手机：负责人曾经参与科研的情况曾参加创青春训练营、材料学院第二届“圣瓷科技”杯设计大赛、第三届创新项目策划大赛。大一期间跟随导师进入实验室实施科研任务。指导教师承担科研课题情况1 .国家自然科学基金委员会，青年科学基金项目，等离子体辅助硫硒化帆改性及其析氢

3、性能与机理研究，2018-01至2020-12,25万元，在研，参加；2 .湖南省教育厅科学研究项目，一般项目，等离子体辅助合成缺陷碳化鸨及其电催化性能研究，201909至2022-08,1万元，在研,主持；指导教师对本项目的支持情况可为学生大楼3B栋5备，包括等离炉、反应釜、征设备，包括能测试。并且识，目前已发项目，可全丈:提供实验场所，指导教师所在组内实验室位于新能源12、515以及516室，实验室拥有完善的材料合成设子体增强气相沉积法制备系统、开启式真空/气氛管式真空干燥箱等；此外，实验室拥有多台电化学测试表多通道电化学工作站等，可用于电催化甲醇氧化的性指导教师对高性能电催化剂的设计合成

4、有着深刻的认:表SCl论文22余篇，并主持了湖南省教育厅项目等7支持本项目的研究并提供相应的指导。项目组主要成员姓名学号专业班级所在学院项目中的分工赵思源材料类1905材料科学与工程学院筹安排项目实施江航材料类1905材料科学与工程学院氧化物材料制备陈心竹材料类1903材料科学与工程学院表面缺陷构筑黄海飞材料类1905材料科学与工程学院催化剂合成孙文欣材料类1905材料科学与工程学院结构与性能表征二、立项依据（可加页）（一）项目简介随着燃料的枯竭和环境污染问题日益加剧，人们极力寻找新型能源来取而代之。直接甲醇燃料电池拥有极高的能量转化率且无污染，在电动汽车等领域具有广阔的应用前景。目前最常用的

5、直接甲醇燃料电池的阳极催化剂是饴（Pt）基催化剂,Pt对阳极甲醇氧化反应（MoR）具有很高的电催化活性，但是由于在反应过程中缺少活性含氧物种，Pt的表面容易被强吸附的一氧化碳（Co）毒化，使得催化剂的稳定性变差，另外伯的价格昂贵且利用率低，无法满足实际的应用。因此，调控Pt基催化剂组分和电子结构对于提高催化剂的抗CO中毒能力和MOR催化性能具有重要意义。本项目拟利用等离子体技术构筑富缺陷CeO、，以Pt金属为基础，减少Pt的用量，掺入其他亲氧金属元素（如Ru,Mo等）以减少催化剂的成本以及降低CO氧化电位，通过在载体上构筑缺陷来调控催化剂的晶体结构并锚定纳米颗粒，构建金属氧化物载体与Pt-Ru

6、-M。金属催化剂的强相互作用，优化Pt电子结构提升其催化活性和稳定性。并利用先进表征技术揭示Pt-Ru-MoZCeOx电催化甲醇氧化反应机制，为开发低成本、高催化活性、高稳定性、抗Co中毒的催化剂体系提供科学依据，提高直接甲醇燃料电池的整体电化学性能。（二）研究目的当今社会，人类对煤、石油、天然气等传统化石能源的大量开发和利用不仅加剧了能源危机，而且还造成了全球变暖和环境污染口。为应对能源危机和环境恶化这一全球性难题，近年来，发展新一代环境友好型的绿色能源体系逐渐受到世界各国的广泛关注。与传统的化石能源相比，燃料电池可将化学能转换为电能，因其高效、无污染以及不受卡诺循环的限制，而受到全球科研人

7、员的广泛关注与研究。其中，直接甲醇燃料电池（DirectMethanolFuelCell,DMFC）因其高能量密度、低工作温度、燃料来源丰富、价格低廉、毒性小、便于存储和运输等优势被认为在便携式电子器件、电动汽车等领域具有广阔的应用前景H久DMFC的工作原理如图1所示，甲醇作为燃料和水的混合物被送至阳极，发生电催化甲醇氧化反应，甲醇被氧化成二氧化碳，并且生成氢离子和电子，电子经过外电路被传递到阴极，同时氢离子可以通过质子交换膜传导到阴极，实现质子导电。氧气或者空气和水的混合物被传至阴极，氧气与到达阴极的氢质子以及电子发生氧还原反应，生成水。催化剂作为燃料电池的最重要材料之一，其作用主要是加速电

8、极与电解质界面之间的电化学反应动力学，从而影响整个电池系统的性能和寿命。目前最常用的DMFC阳极催化剂是伯（Pt）基催化剂，Pt对阳极甲醇氧化反应（MethanolOxidationReaction,MOR）具有很高的电催化活性，但是由于在反应过程中缺少活性含氧物种，Pt的表面容易被强吸附的一氧化碳（Co）毒化，使得催化剂的稳定性变差，另外伯的价格昂贵且利用率低，无法满足实际的应用。因此，合理调控Pt基催化剂组分和电子结构对于提高催化剂的抗CO中毒能力和MOR催化性能具有重要意义。1.oadCarbondioxide11Walcr+RemainingO2/AirCafbonpapcrAnode

9、Hcctrolyti:Calkode(jodpaper图1直接甲醇燃料电池的工作原理图（）研究内容（1） 富缺陷金属氧化物载体的制备，利用水热法制备CeOz纳米片，再通过等离子体技术刻蚀CeOz纳米片，使形成含氧空位缺陷的CeoX纳米片。（2） 利用金属氧化物缺陷位锚定金属纳米颗粒。在缺陷CeOx纳米片载体上,以氯伯酸作为钳源，加入其他亲氧金属元素（如Ru,M。等）盐溶液，利用浸渍还原法制备Pt-Ru-MoZCeOx,实现金属与缺陷载体之间的强相互作用，优化Pt电子结构提升其催化活性和稳定性。（3） 材料结构与性能表征。利用SEM,XRD,HR-TEM和XPS等多种表征技术相结合，对Pt-RU

10、-Mo/CeOx催化剂的形态、晶相、结构、催化剂组分和价态分布等进行深入理解。利用同步辐射，原位拉曼等先进表征技术揭示Pt-Ru-Mo/CeOx电催化甲醇氧化反应机制，为开发低成本、抗CO中毒的催化剂体系提供科学依据。（4） 理论模拟计算。利用理论计算辅助揭示Pt-RU-MO/CeOx催化剂的电荷环境及其对MOR反应中间体的吸附能，深刻认识催化活性位点。（四）国、内外研究现状和发展动态近些年，研究表明第二种物种的加入可以有效地改善Pt的抗CO毒化能力，这主要归功于两者之间的电子效应和双功能机理件。其中，金属氧化物作为Pt催化剂的常用载体，在低电位条件下可以在表面生成活性含氧物种（-0H）,从而

11、进一步促进Pt位点上的CO中间体的氧化反应，从而提高Pt基催化剂的抗CO毒化能力。例如，常见的金属氧化物CeCh,由于自身的高储氧能力、低成本以及抗腐蚀性等优点受到了研究者们广泛的关注。但是其表面呈惰性、导电性差，作为载体不利于甲醉氧化反应的性能提升。因此，提高Ce2的电导率并且增强Pt与CeOz之间的相互作用是至关重要的。近期研究表明，金属氧化物上缺陷的引入对合成高效的Pt基催化剂有着重大作用。由于缺陷位的特殊电子结构和周围的配位环境，能够增强Pt与金属氧化物载体之间的相互作用，有效地捕获Pl金属物种并使其被锚定在载体上，形成新的协同配位结构作为活性位点，从而实现高效的Pt基催化剂的合成。如

12、图2所示，Tao等人】通过等离子体技术对CeCh纳米棒进行表面改性，使其表面粗糙且富含氧缺陷，再用伯纳米颗粒去修饰锚定缺陷位，进行甲醇氧化反应。同步辐射数据分析和理论计算结果表明，通过利用氧缺陷的多余电子降低亚表面钵的价态，增强CeO2的电导率，调节钳颗粒与CeOz载体之间的电子相互作用，提高钳颗粒在载体上的高分散性，从而实现优异的电催化甲醇氧化性能。图2富含氧空位的氧化铀负载伯的示意图山】Shi等人I利用氧空位或氟掺杂缺陷来修饰TiO2载体，富含缺陷的Ti2载体负载Pt之后显著的提升了甲静氧化性能。这种金属与载体之间强的相互作用可以通过电荷转移机理来解释，TiO2的带隙为3.2eV,而Pl的

13、功函数约为5.6-5.8eV,在TKh晶格中引入的氧空位可以使其在导带以下0.51.0eV的带隙（间隙态）处产生能级，另外，氨原子作为n型掺杂剂，可以在导带下方产生施主态的能级。因此，氧空位和氟掺杂缺陷都可以在表面产生可导电的电子群，从而可以促进催化剂与电解质之间的电子转移。由此可见，通过对金属氧化物的表面进行缺陷构筑，可以有效地优化和调控Pt基电催化剂，增强Pt与金属氧化物载体之间的相互作用，加快阳极Me)R反应速率。针对电化学MOR研究中催化剂成本高，CO耐受性差和催化剂使用寿命短等关键科学问题，基于目前的研究现状，本项目拟利用等离子体技术构筑富缺陷CeOx,以Pt金属为基础，减少Pt的用

14、量，掺入其他亲氧金属元素(如Ru,Mo等)以减少催化剂的成本以及降低CO氧化电位，通过在载体上构筑缺陷来调控催化剂的晶体结构并锚定纳米颗粒，构建金属氧化物载体与Pt-Ru-Mo金属催化剂的强相互作用，优化PI电子结构提升其催化活性和稳定性。并利用先进表征技术揭示Pt-RU-Mo/CeOx电催化甲醇氧化反应机制，为开发低成本、抗CO中毒的催化剂体系提供科学依据，提高直接甲醇燃料电池的整体电化学性能。因此，本项目具有重要的科学意义和应用价值。参考文献：1 S.Chu,A.Majumdar,Opportunitiesandchallengesforasustainableenergyfuture,N

15、ature,488(2012)294-303.2 Y.Jiao,Y.Zheng,M.Jaroniec,S.Z.Qiao,Designofelectrocatalystsforoxygen-andhydrogen-involvingenergyconversionreactions,ChemSocRev,44(2015)2060-2086.3 Y.Nie,L.Li,Z.Wei,RecentadvancementsinPtandPt-freecatalystsforoxygenreductionreaction,ChemSocRev,44(2015)2168-2201.4 W.Huang,H.Wang,J.Zhou,J.Wang,RN.Duchesne,D.Muir,P.Zhang,N.Han,EZhao,M.Zeng,J.Zhong,C.Jin,Y.Li,S.T.Lee,H.Dai,Highlyactiveanddurablemethanoloxidationelectrocatalystbasedonthesynergyofplatinum-nickelhydroxide-graphene,NatCommun,6(2015)10035.