復(fù)合磁性納米粒子的制備及在氧還原中的應(yīng)用.pdf

1、研究背景及意義：隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)峻，新型能源和能源利用方式的開發(fā)與研究已經(jīng)迫在眉睫。燃料電池因具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等特點(diǎn)備受社會的廣泛關(guān)注與研究。催化劑是燃料電池的重要組成部分，制約著燃料電池的發(fā)展，目前商業(yè)化催化劑主要為碳載貴金屬(Pt、Ru、Pd等)型，然而這種催化劑資源稀缺、成本昂貴且催化效率仍然不能滿足商業(yè)化需要。因此，開發(fā)廉價(jià)、易得、高性能的催化劑是促進(jìn)燃料電池商業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵所在。
　　研究方

2、法：過渡金屬摻雜含氮碳材料，前驅(qū)體資源豐富，制造成本低，在堿性介質(zhì)中的氧還原性能能夠和商業(yè)Pt/C相媲美。然而堿性介質(zhì)易受環(huán)境中二氧化碳的影響，不利于市場化應(yīng)用。基于以上各種因素本論文研究重點(diǎn)是利用不同的方法對磁性氧化物進(jìn)行包覆。主要包括：水熱合成葡萄糖三聚氰胺樹脂(GM)包覆四氧化三鈷，經(jīng)碳化形成Co3O4@C-N；利用磁場誘導(dǎo)兩相合成聚苯胺(PANI)包覆四氧化三鐵，經(jīng)碳化形成Fe3O4@C-N；對氨基酚醛樹脂包覆鐵酸鈷，碳化得到

3、CoFe2O4@C-N。并對制備的這三種催化劑進(jìn)行了物理表征和酸性介質(zhì)中氧化原(ORR)性能研究。
　　研究內(nèi)容：
　　第一部分三聚氰胺葡萄糖樹脂包覆四氧化三鈷衍生物(Co3O4@C-N)的制備在氧化原中的應(yīng)用。
　　Co3O4@C-N作為一種酸性介質(zhì) ORR催化劑有著優(yōu)異的催化性能，原因是磁性氧化物與氮摻雜碳材料之間存在著協(xié)同作用。從掃描電鏡(SEM)可以看出， Co3O4@C-N是一些類似蠶繭的小顆粒，由于分子間作

4、用力的存在，這些小顆粒團(tuán)聚交聯(lián)在了一起。由電化學(xué)性能可知，Co3O4@C-N的起始電位和極限擴(kuò)散電流與商業(yè)Pt/C的相差不多，只有半波電位有一些差距。雖然活性比商業(yè)Pt/C低，但是其具有更強(qiáng)的耐受性、抗甲醇中毒能力，以及成本低，資源豐富的優(yōu)點(diǎn)。所以具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?br>　　第二部分兩相界面-磁場誘導(dǎo)合成分級結(jié)構(gòu)聚苯胺包覆四氧化三鐵衍生物(Fe3O4@C-N)在電催化氧還原中的應(yīng)用。
　　利用磁場將吸附有苯胺的Fe3O4牽引

5、至兩相界面處進(jìn)行反應(yīng)，即可得到聚苯胺包覆的四氧化三鐵(Fe3O4@PANI)，將Fe3O4@PANI再碳化、酸處理，即可得到具有分級結(jié)構(gòu)的Fe3O4@C-N，研究其在酸性介質(zhì)中的氧還原性能。通過XRD、Raman、SEM等對樣品的成分和結(jié)構(gòu)做了分析表征。用CV和LSV對其電催化氧還原性能進(jìn)行了表征，結(jié)果表明：兩相磁場誘導(dǎo)下合成的Fe3O4@C-N在酸性介質(zhì)中的ORR起始電位與兩相攪拌合成、均相合成的基本相同，但是半波電位和極限擴(kuò)散電流有

6、了明顯的改善。
　　第三部分中空膠囊狀氮摻雜酚醛樹脂包覆鐵酸鈷衍生物(CoFe2O4@C-N)在電催化氧還原中的應(yīng)用研究
　　此部分主要介紹一種具有中空膠囊狀結(jié)構(gòu)的CoFe2O4@C-N，對材料的合成方法和在陰極氧還原電催化方面的應(yīng)用做了一些研究。本實(shí)驗(yàn)合成的對氨基酚醛樹脂包覆 CoFe2O4衍生物的殼層疏松似絮狀物，是一種中空膠囊狀核殼結(jié)構(gòu)，經(jīng)過熱處理后具有較大的結(jié)晶度。這種獨(dú)特的疏松膠囊狀結(jié)構(gòu)有利于O2在催化劑上的吸附和