中文摘要：

开发性能优异的非铂负极催化剂是目前直接硼氢化钠燃料电池（DBFC）技术研究的难点之一，而阐明硼氢化钠氧化反应（BOR）机理是解决问题的关键。氢氧化钴对BOR 具有较好的催化活性，本项目旨在探索氢氧化钴的不同晶面与硼氢化钠的表面吸附和氧化途径之间的内在联系，深化对BOR反应机理的理解，进而通过改变催化剂晶面择优来调控其催化性能。首先采用第一性原理计算硼氢化钠在氢氧化钴不同晶面的化学吸附能和中间产物结合能，分析晶面对于硼氢化钠的表面吸附和氧化途径的影响。然后通过化学法合成具有不同晶面择优的氢氧化钴催化剂，考察不同晶面择优的催化剂对BOR的催化性能，分析硼氢化钠在不同晶面上的氧化反应产物，进一步验证理论计算所推导的硼氢化钠在不同晶面上的氧化反应途径, 深化对氢氧化钴上BOR反应机理的认识。最后通过机理研究指导实验，制备出对BOR具有优异性能的氢氧化钴催化剂，为DBFC技术走向应用化起到推动作用。

结论摘要：

开发性能优异的非铂阳极催化剂是目前直接硼氢化钠燃料电池(DBFC)技术研究的难点之一，而阐明硼氢化钠氧化反应(BOR)机理是解决问题的关键。本项目基本按照研究计划，完成了预期的研究内容，顺利实现了项目既定目标。通过研究比较聚吡咯修饰碳载不同晶面择优的Co(OH)2催化剂对BOR的催化性能，揭示了其对NaBH4的表面吸附和氧化途径的本质，基本阐明了BOR的机理。并额外开展了阳极结构改进和阴极催化机制的研究。基于本项目所获得的实验结果，在J. Power Source, J. Mater. Chem. A, J. Phys. Chem. C等国际电化学一流期刊发表了5篇高水平SCI论文，以及2篇国内核心期刊论文。申请6项发明专利和2项实用新型专利，其中1项发明专利和2项实用新型专利已授权。培养博士生2人，硕士生1人。 具有创造性及研究特色的主要结果为 1. 采用不同的碳载体合成了 (001)晶面择优的Co(OH)2-PPY-BP和(101)晶面择优的Co(OH)2-PPY-SP。结果表明Co(OH)2-PPY-BP相比较Co(OH)2-PPY-SP，具有更高的对BOR的催化活性和反应电子数，更低的BOR反应阻抗。使用前者作为阳极催化剂的DBFC可以获得95 mW cm-2最大输出功率密度。 2. 基于密度泛函理论计算了BH4？在Co(OH)2表面的吸附能。结果显示BH4？在Co(OH)2的(100)表面的四种位置的吸附均为吸热反应，说明BH4？在此表面不会发生吸附反应。 3. 开创性地在上海光源硬X射线微聚焦及应用线站建立了一套在电催化反应过程中原位地测试催化剂物相和结构变化的实验方法，实现了在电池放电时原位地检测催化剂的XRD图谱和XANES图谱。捕捉到了Co(OH)2在放电之前的衍射特征峰随放电电流值的增大逐渐宽化变弱，当停止放电之后，衍射特征峰又重新出现。从而推断出Co(OH)2是通过非晶化过程完成对BOR的催化作用。 4. 开拓性地实施了Co(OH)2-PPY-BP阴极催化剂催化行为的原位研究。确定了催化剂中的催化活性位为Co-N2，揭示了Co2+/Co3+氧化还原离子对是催化氧还原反应的原因，发现了阴极催化剂在放电过程中产生并且在放电结束后基本消失的中间相是CoOOH，明晰了Co3+的第一壳层配位和近邻结构的变化是影响催化活性的关键因素。