电催化剂的结构设计和性能调控

孙世刚1982年初毕业于厦门大学化学系（77级），1986年9月年获巴黎居里大学授予法国国家博士学位。在法国科研中心界面电化学研究所做一年博士后，1987年底回国工作。现为厦门大学化学系教授、固体表面物理化学国家重点实验室研究员，博士生导师。长期从事电催化、谱学电化学和能源电化学等方面的研究。主持完成1995年度国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、和国家“973”计划课题等重要科研项目。目前担任国家自然科学基金委“界面电化学”创新研究群体学术带头人、主持国家重大科研仪器设备研制项目“基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置”。已在包括Science，J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., Chem. Commun., J. Phys .Chem.,《中国科学》等刊物发表SCI收录论文478篇，他引12000多次，获发明专利授权14项电催化广泛应用于能源转换与储存（燃料电池，金属-空气电池，水解制氢、太阳能电池等），环境工程（水处理、污染治理、臭氧发生等），绿色合成和新物质创制（有机和无机电合成、氯碱工业、新材料等），生物医学与分析传感等重要领域。电催化剂是电催化基础和应用的核心。如何从原子分子层次认识电催化的构效规律，设计和研制高活性、高选择性、高稳定性和价格低廉的催化剂一直是电催化领域的重大挑战。实际应用的电催化剂都是负载到导电载体（碳等导电材料）的纳米粒子，其表面结构十分复杂。上世纪七十年代以来，德国G. Ertl（2007年诺贝尔化学奖）和美国G. A. Somorjai（1998年沃尔夫化学奖）等在表面科学和催化领域、法国J.Clavilier（2008年弗鲁姆金奖）等在电化学领域以金属单晶面作为模型催化剂进行了开拓性的研究，实现了从原子排列结构层次对催化剂构效关系研究的跨越。本文报道我们课题组在金属纳米催化剂的结构设计和电化学控制合成方面的主要研究进展，包括：（1）运用金属单晶模型催化剂进行了系统深入地研究，揭示了电催化活性中心的结构和本质，发现高指数晶面具有高催化活性和稳定性，提出由台阶原子与相邻平台原子组成的椅式结构电催化活性位模型，为理性设计高活性电催化剂奠定了基础；（2）创建电化学结构控制合成方法，用方波电位驱动水分子解离产生的氧物种周期性吸脱附，在高电位氧物种吸附诱导产生高表面能晶面、在低电位氧物种脱附纳米晶得以生长，突破了晶体生长趋于最低表面能的限制，制备出由{730}等高指数晶面围成的二十四面体铂纳米晶，显著提高了铂催化剂的活性；（3）制备出粒径与商品催化剂相当的碳载高指数晶面铂催化剂，进一步提高了贵金属利用率，并发明了载体高指数晶面铂纳米催化剂的电化学批量制备技术；（4）实现系统调控高指数晶面/高表面能纳米材料的结构、组成和性能，设计并制备出各种类型高指数/高表面能晶面二十四面体、偏方三八面体、四十八面体等不同结构、具有特定催化性能的铂、钯、铑、金、铁及合金纳米晶催化剂。