《氢的绿色制备及高性能燃料电池研究》

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发展清洁能源技术是解决中国能源短缺与环境污染问题的重要途径之一。氢能具有能量密度高、清洁环保等优点,被认为是一种理想的能源。

该项目在国家863计划、973计划、自然基金及江苏省科技成果等项目资助下,针对太阳能制氢与高效燃料电池利用中存在的关键科学问题开展研究,取得了如下创新成果:1.提出了抑制光解水背反应的有效方法,发展了一系列调控聚合物光催化剂电子结构的方法,显著提升光电极的太阳能分解水制氢性能。以N型Fe2O3半导体光电极为研究模型,提出一种减少表面载流子复合的全新思路-抑制光生电子与氧化中间产物间的复合,而不是学术界之前普遍认为的表面态复合,有效减小Fe2O3光电极分解水所需的外加偏压,提高了太阳能转换效率。提出向C3N4网络结构中掺入PMDA单体的方法降低其价带位置,增强光生电子空穴的分离效率,显著提高光催化活性。该成果发表在Energy Environ. Sci. (2014, 7, 752)等期刊上。2.揭示了电催化剂与载体的相互作用对氢燃料电池电化学性能的影响规律,发展了新型催化剂及载体材料的制备技术。率先引入石墨烯、纳米多孔金等材料作为燃料电池电催化剂载体,精确调控催化剂和载体之间的相互作用,改善Pt催化剂外层电子结构,促进反应物在表面的吸附、解离和反应活性,提高催化活性位暴露和贵金属利用率,实现氢的高效利用。该成果发表在Chem. Sci. (2014, 5, 403)等期刊上。3.研究了膜电极的性能衰减机理,为长寿命氢燃料电池膜电极的设计提供了指导,进而开发了长寿命复合质子交换膜的制备技术。系统研究了氢燃料电池膜电极及关键材料在复杂工况下性能衰减的化学和物理机制,揭示了影响燃料电池化学稳定性的关键因素在于氢的渗透和自由基的生成。在膜电极的设计中,率先引入生物体内自由基淬灭新机理,利用维生素E实现膜电极中氢渗透和自由基的双抑制作用,显著提高膜电极的稳定性及使用寿命。该成果发表在EnergyEnviron. Sci. (2014, 7, 3362)等期刊上。4.建成了氢燃料电池催化剂生产线和膜电极生产线各1条,获国家高新技术产品认定。针对关键材料的量产工艺进行研究,建成年产100公斤级电催化剂生产线1条,年产900平米的膜电极生产线1条。开发的氢燃料电池膜电极和氢燃料电池电源获国家高新技术产品认定。该项目8篇代表性论文(其中2篇ESI高被引论文)发表于Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等能源、化学和材料领域的主流学术期刊,被Chem. Rev, Chem. Soc. Rev, Energy Environ. Sci.等SCI期刊他引442次。获授权发明专利10余项,并完成多项成果转化,为推动江苏省产业结构调整,增强该省在新能源领域的竞争力做出了积极贡献。

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