非贵金属碳基电催化剂的制备及其性能研究

【摘要】：燃料电池是一种能够直接把氧化还原反应的化学能转化成电能的装置。它自身凭借高的能量转换效率和能量密度、环境友好零排放、低温快速启动等优点,被认为是迄今为止最有发展前景,最有可能大规模应用于商业、军事、航空等用途的高效清洁能源。然而,燃料电池的商业化生产由于受到众多因素的影响,仍旧有很长一段路要走。其中,作为燃料电池最重要的关键材料之一的阴极催化剂,目前常用的是铂基催化剂,它是催化氧还原反应中电化学性能最好的催化剂。但由于贵金属铂价格高昂,成本高,储量少,已经成为阻碍燃料电池技术进一步发展和商业化的重要因素。因此,研究开发高效廉价的替代型电催化剂,是燃料电池可持续发展的必经之路。大量研究表明,对碳材料进行杂元素掺杂改性可以对其形貌、组成、微观结构及表面物理化学性质实现优化,从而制备出具有高电化学催化活性和高稳定性的电催化剂。此外,多元素掺杂的过渡金属框架有机化合物的电催化剂同样具有优异的电化学催化活性和高的稳定性。本论文主要以三嵌段共聚物(P123)为主要合成原料,通过掺入不同氮源(包括三聚氰胺、尿素、乙二胺和氨气)并优化掺杂方法从而制备出了一系列氮掺杂的有序介孔碳纳米材料,并对其进行了电化学表征,得出一种电化学性能较好的样品,考察了碳化温度对其电化学活性的影响以及作为碳载体的金属负载性,利用TEM、XRD、XPS和旋转圆盘电极测试等对该催化剂进行了研究。研究结果表明:我们通过探究不同掺氮方法和碳化温度对材料的影响,最后发现了一种低成本、无污染、操作简单的合成方法,并制备出一种结构规整、比表面积大的类石墨烯片状氮掺杂的介孔碳纳米材料,并且当碳化温度为950 ~oC时有较好的电化学催化活性。此外,我们还制备出了一种以过渡金属钴为中心的有机框架碳纳米材料,考察了碳化温度、掺杂元素种类等因素对材料的影响,最后通过简单的一步法制备出了一种碳修饰的、掺杂磷元素的以过渡金属钴为中心的有机框架碳纳米材料,并结合SEM、EDS、XRD和旋转圆盘电极测试等方法进行表征。研究结果表明:该种材料不仅具有良好的氧还原催化活性还具备较好的氧析出催化活性,是一种非常有潜力的双功能电催化剂。