氢氧燃料电池氢阳极金属-金属化合物复合催化剂的理论设计与筛选

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21576032
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0809.光化学与电化学工程
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

Developing a high active anode non-platinum catalyst for hydrogen oxidation reaction (HOR) has been one of the major challenges for the lowering cost and commercialization of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Recent research found that the adsorption of hydroxyl species (OH) benefits the catalysis of HOR. Based on the effect of OH on the activity of catalysts, and the HOR catalytic activity and CO tolerance of metal compounds, such as the carbides, nitrides, oxides, in this project, we computational design and screen metal–metal compounds hybrid catalysts for catalysis of HOR using the binding energy of H (HBE) and CO (CBE) on the catalysts surface as reactivity and CO tolerant descriptors respectively. Firstly, we construct the metal-metal compounds hybrid catalysts, and perform DFT calculation to study the interaction between the metal and metal compounds. Secondly, the relationship between the HBE (or CBE) and the electronic structures of hybrid catalysts are investigated to find the key properties of hybrid catalysts, and to explore the effect of hybrid catalysts on HBE and CBE. Finally, the results of above analysis are used to engineer the excellent active, CO tolerant and stable metal-metal compounds hybrid catalysts by changing its composition and structure.
开发高活性抗中毒的阳极氢氧化(HOR)非铂催化剂是降低燃料电池成本,推动其商业化的关键。根据OH物种提高催化剂HOR活性的机理,以及金属化合物本身固有的催化活性和CO抗中毒特性,我们提出“氢氧燃料电池氢阳极金属-金属化合物复合催化剂的理论设计与调控”。主要利用理论模拟与实验相结合,以氢与催化剂间的结合能(HBE)为HOR的活性指标,CO的结合能(CBE)为抗CO中毒指标,通过探究金属-金属化合物间相互作用对HBE、CBE的影响机理,寻找调控HBE和CBE的关键因素,为设计高活性、抗CO中毒和高稳定性的HOR催化剂提供理论依据。

结项摘要

项目围绕化合物-金属复合催化剂的理论设计与实验制备展开。针对氢氧化与析氢互为逆反应,本项目通过研究金属化合物-金属之间的相互作用,探究其结构的变化和中间物种对催化剂催化HOR/HER反应机理的影响,确定其催化机制,设计制备高活性和高稳定性的HOR/HER催化剂。从催化剂本身性质出发,结合ΔG(H*),ΔG(H2O*)和ΔG(OH*)给出在不同电极电势下HOR机理的全面描述,明确了OH对HOR/HER机理的影响机制;通过计算并比较不同过渡金属低指数晶面上吸附H和OH的难易程度,设计并筛选出具有良好碱性HOR催化活性的MnCu, CoCu, NiCu近表面合金催化剂;发现金属-金属氧化物高效催化析氢反应的本质,在于金属与氧化物间的电子转移改变了金属与氧化物界面处的化学环境,使其界面区域成为难以吸附H2O和OH物种却有利于H物种的吸脱附的活性中心,并进一步结合实验发现界面位点数量及界面电荷转移与活性的强相关性;X/Ni(100)的电子结构、H结合能和HER活性,可通过改变X的电负性(χx)和主量子数(ηx)来有效地调节,并发现χx和ηx是评价和预测NiX催化剂催化活性的两个重要描述符;基于碱性条件下TM-V2CO2上HOR反应机理,设计并筛选出具有良好催化活性且成本较低的HOR催化剂(Sc-,Ti-,V-,Cr-,Mn-,Fe-和Zn-V2CO2);根据计算结果,发展了“金属诱导晶化”和“自组装及预成形”等试验方法,通过调节可控变量,合成了稳定性好、且具特定形貌、催化性能优异的Ni-VC@C/Ti、Mo2C/C和AuPt合金等一系列复合催化剂。

项目成果

期刊论文数量(24)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Tuning the interface of Ni@Ni(OH)2/Pd/rGO catalyst to enhance hydrogen evolution activity and stability
调节Ni@Ni(OH)(2)/Pd/rGO催化剂界面以增强析氢活性和稳定性
  • DOI:
    10.1016/j.jpowsour.2017.03.111
  • 发表时间:
    2017-06-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF POWER SOURCES
  • 影响因子:
    9.2
  • 作者:
    Deng, Zihua;Wang, Jun;Wei, Zidong
  • 通讯作者:
    Wei, Zidong
Inert V2O3 oxide promotes the electrocatalytic activity of Ni metal for alkaline hydrogen evolution
惰性V2O3氧化物促进Ni金属碱性析氢的电催化活性
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    4.9
  • 作者:
    Ji Dan;Peng Lishan;Shen Jingjun;Deng Mingming;Mao Zhanxin;Tan Lianqiao;Wang Minjie;Xiang Rui;Wang Jian;Shah Syed Shoaib Ahmad
  • 通讯作者:
    Shah Syed Shoaib Ahmad
Modulating the oxygen reduction activity of heteroatom-doped carbon catalysts via the triple effect: charge, spin density and ligand effect.
通过电荷、自旋密度和配体效应三重效应调节杂原子掺杂碳催化剂的氧还原活性
  • DOI:
    10.1039/c8sc01801d
  • 发表时间:
    2018-07-14
  • 期刊:
    Chemical science
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Yang N;Li L;Li J;Ding W;Wei Z
  • 通讯作者:
    Wei Z
Rationally design of monometallic NiO-Ni3S2/NF heteronanosheets as bifunctional electrocatalysts for overall water splitting
单金属 NiO-Ni3S2/NF 异质纳米片作为全水分解双功能电催化剂的合理设计
  • DOI:
    10.1016/j.jcat.2018.11.023
  • 发表时间:
    2019-01-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF CATALYSIS
  • 影响因子:
    7.3
  • 作者:
    Peng, Lishan;Shen, Jingjun;Wei, Zidong
  • 通讯作者:
    Wei, Zidong
Influence of Phosphorus Configuration on Electronic Structure and Oxygen Reduction Reactions of Phosphorus-Doped Graphene
磷构型对磷掺杂石墨烯电子结构和氧还原反应的影响
  • DOI:
    10.1021/acs.jpcc.7b06748
  • 发表时间:
    2017-09-07
  • 期刊:
    JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Yang, Na;Zheng, Xingqun;Wei, Zidong
  • 通讯作者:
    Wei, Zidong

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    闫雯鑫;彭相文;韩忠孝;孙欣然;王召青;张雪莹;黄双;李莉
  • 通讯作者:
    李莉

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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