[发明专利]一种二氧化铈负载铂单原子催化剂及其结构设计方法

说明书

本发明公开一种二氧化铈负载铂单原子催化剂及其结构设计方法，属于能源催化材料领域。该催化剂的CeO₂表面为111取向；Pt₁单原子负载位置为CeO₂表面的Ce替代位；在CeO₂表面引入氧空位以提高催化剂的抗CO毒化能力，其结构设计方法，包括：(1)建立不同晶面取向的CeO₂表面模型；(2)比较Pt₁单原子在不同取向的CeO₂表面上不同负载位置的稳定程度；(3)通过CeO₂表面引入氧空位缺陷，对Pt₁单原子稳定性进行调控；(4)计算并比较以上Pt₁@CeO₂体系对于CO吸附作用的强弱情况。通过本发明提出的设计方法，为实验合成高性能燃料电池用电极催化剂材料提供了明确的参考方向。

技术领域

本发明涉及一种二氧化铈负载铂单原子催化剂及其结构设计方法，属于能源催化材料领域。

背景技术

能源危机与环境污染是全世界各国都重点关注的两大问题，为了人类的可持续发展，开发清洁安全的新能源有着极其重要的战略意义。燃料电池是一种把燃料的化学能直接转换为电能的装置，是新兴的第四代发电技术。其以氢气和氧气为燃料，反应清洁安全，对生态环境友好；而且理论上的能量转换效率可高达90％以上，是具有广阔发展前景的电化学能量转换技术。

燃料电池的基本工作原理是氧气与氢离子在电池阴极处发生氧还原反应(ORR)生成水，阳极处因氢离子迁移留下的电子在外电压作用下向阴极流动，从而产生电能。目前，燃料电池的主要问题之一是阴极氧还原反应速率缓慢，直接影响电池的能量转换效率。而ORR反应速率主要依赖于电极催化剂材料，这就对催化剂材料的选择以及性能的提高提出了很大的挑战。

燃料电池中使用的电极催化剂材料主要为贵金属多相催化剂，即合适的载体材料上负载贵金属活性物种。目前被广泛应用的电极催化剂为碳载铂(Pt@C)催化剂，这种催化剂的最大问题在于：(1)碳载体容易发生腐蚀，(2)贵金属铂的使用增加成本，(3)氢燃料重整气中的CO造成催化剂毒化。因此，为了推进燃料电池在未来的大规模商业化应用，仍需开发高活性、高稳定性、低成本的新型电极催化剂材料。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高性能的新型CeO₂负载Pt单原子电极催化剂及其结构设计方法。相比于碳载体，二氧化铈(CeO₂)材料具有强氧化性与耐酸耐碱性，可以有效提高燃料电池在高电位下的稳定性。而且，CeO₂本身是一种优秀的催化剂载体，在汽车尾气催化、水煤气反应等催化领域中都有重要应用。选取CeO₂作为催化剂载体，设计一种新型的CeO₂负载贵金属Pt的电极催化剂材料，将其应用于燃料电池中以提高能量转换效率，对于进一步实现燃料电池的实际生产应用具有重要意义。

本发明中，Pt以单原子形式负载于CeO₂之上可以减少贵金属用量，从而降低电池生产成本；但是Pt₁单原子容易发生团聚形成纳米颗粒，降低催化活性。因此，本发明通过计算Pt₁单原子在不同结构的CeO₂载体上的热力学稳定性，进一步以CO吸附为目标反应探讨催化剂对于CO的抗毒化作用，最终给出能稳定Pt₁单原子、改善CO毒化的Pt₁@CeO₂催化剂材料结构。

一种二氧化铈负载铂单原子催化剂，是一种具有稳定性高、抗CO毒化性能好的Pt₁@CeO₂催化剂结构，在氧空位缺陷修饰的二氧化铈表面铈替位负载铂单原子，该催化剂的原子结构具有以下特征：

(1)CeO₂表面为111取向；

(2)Pt₁单原子负载位置为CeO₂表面的Ce替代位；