1．目的及意义

能源是文明发展的基石。燃料电池以其能源安全性、燃料多样性、高效能、环境亲和性等优势，正逐渐成为全球寄予厚望的绿色能源。低温燃料电池，如聚合物电解质燃料电池（PEMFC），由于具有环境友好、快速启动、无电解液流失、寿命长、功率密度和能量密度高等优点，在电动汽车动力电源、移动电源、微型电源及小型发电装置等方面显示出广阔的应用前景。然而由于其阳极燃料氢气的匮乏和阴极氧还原动力不足而制约着燃料电池的市场推广。贵金属（铂、钯、钌等）作为燃料电池的高效催化剂活性组分却资源匮乏且价格昂贵，而传统高负载量的贵金属（铂、钯、钌等）催化剂，在催化过程中只有极少数活性组分起作用，利用效率远远低于理想水平，无疑增加了催化剂的成本，造成资源浪费。若用贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇作为氧还原（ORR）和析氢反应（HER）的催化剂，则可以更大限度的发挥贵金属（铂、钯、钌等）催化剂的催化效率。因此，贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇催化剂有望解决燃料电池阴极反应动力不足的瓶颈问题，并为燃料电池的推广提供科学依据。

制备贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇催化剂目前主要分为两种不同的方法：一种是借助一些高端仪器，如质量选择-软着落法和原子层沉积法（ALD）A等；第二种是传统的催化剂制备方法，如湿化学法。质量分离-软着陆法是通过高频激光蒸发金属前驱体，使金属气化，利用四级杆质谱仪的质量选择功能精确调控，使不同原子个数的金属团簇通过软着落的技术手段，负载到载体表面。但是该方法需要的实验条件苛刻，成本较高，产率低，且沉积的方法并不适合具有高表面积的载体或者介孔材料载体。原子层沉积法，简称ALD，又称原子层外延，是一种将载体材料交替暴露于不同反应前驱体的脉冲蒸气中，物质以自限制的方式逐个原子层地沉积在载体表面。但是此方法具有稳定性不强，成本高等问题。与前面两种需要借助高端仪器的方法相比，运用传统的湿化学法，过程简单、成本低，其中浸渍法是传统多相催化剂制备方法之一。当载体与金属盐溶液的水溶液接触后，金属盐溶液吸附或贮存在载体表面或孔道结构中，除去过剩的溶液，再经干燥、煅烧和活化制得原子金属催化剂。此种方法适合于在开放性载体，尤其是单独分离的纳米结构上制备贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇催化剂。

尽管贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇的制备方法很多，但目前制备的效率不高，而且所制备出的载量极低，不能满足实际应用需求。因此，如何实现制备低成本、高效率、高载量、高稳定性的贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇成为关键科学问题。金属有机框架化合物（MOFs）是以金属离子为中心原子与有机配体通过共价键或离子键连接而成的多孔材料，它不仅是获得氮掺杂碳材料的重要前驱物质，而且其特有的连接方式、结构以及多孔性也为贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇提供了多个稳定的负载位点。MOF的这些特性使得其成为获得贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇的重要前驱物质。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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（一）研究内容

1. 贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇/碳纳米框架催化剂的制备

（1）确定金属盐与有机配体的比例，在不同温度下合成出不同形貌不同晶粒大小的金属有机框架化合物；

（2）采用浸渍法，使不同比例的贵金属盐溶液吸附在分散均匀的金属有机框架化合物上，继而在惰性气体中对其进行不同温度的高温处理，确定贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇形成的最高比例和最佳温度，并考察金属有机框架化合物的形貌、晶粒大小对贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇负载量的影响。

2. 贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇/碳纳米框架催化剂的物化性质与催化性能表征

（1）表征电催化剂的形貌、粒径、贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇的分布以及电催化剂中各元素的含量与存在状态；

（2）进行电催化测试包括氧还原，析氢和析氧反应，确定最佳氧还原活性的贵金属（铂、钯、钌等）原子团簇/碳纳米框架催化剂。

（二）研究目标