燃料電池陰極碳基非貴金屬催化劑研究.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題的日益加劇，迫使人們不斷開(kāi)發(fā)新型可持續(xù)能源。燃料電池(Fuel Cells，F(xiàn)C)作為一種將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行溫度低、噪音小、轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn)，在固定電站、交通運(yùn)輸、軍用電源等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，受到廣泛關(guān)注。目前，F(xiàn)C商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸之一在于如何設(shè)計(jì)和制備新型高效的陰極氧還原反應(yīng)(Oxygen Reduction Reaction，ORR)電催化劑。以設(shè)計(jì)和構(gòu)筑

2、性能優(yōu)異、成本低廉的ORR催化劑為目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)代譜學(xué)顯微技術(shù)和電化學(xué)方法系統(tǒng)分析催化劑結(jié)構(gòu)與ORR性能之間的構(gòu)-效關(guān)系。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴將碳納米管、錳源、鈷源與氮源等直接混合，采用“水熱法”一步制得三維連通的氮摻雜碳納米管擔(dān)載尖晶石MnCoxO4催化劑(MnCoxO4/NCNT)。物性表征表明尖晶石MnCoxO4包括MnCo2O4和(Co, Mn)[Mn, Co]2O4兩種晶型，粒徑大小約為5-10 nm，粒子部分二次

3、團(tuán)聚后分散在碳納米管表面。MnCoxO4/NCNT催化劑具備良好的ORR催化活性，其半波電位與商品化Pt/C催化劑相比僅小20 mV。在-0.4 V電位下經(jīng)過(guò)2400 s計(jì)時(shí)電流測(cè)試后，其電流強(qiáng)度僅衰減1.7%，高于商品 Pt/C催化劑(衰減17%)。⑵將一定量的科琴碳、硫脲和FeCl3·6H2O充分混合，采用高溫煅燒法制備氮/硫雙摻雜科琴碳(N/S-Kb)。物性表征表明雜原子氮、硫均勻摻入到科琴碳骨架中，其中活性的吡啶型N和噻吩型S含

4、量較高(32.7 at.%和84.3 at.%)，為催化劑提供高效活性位點(diǎn)。電化學(xué)測(cè)試表明N/S-Kb催化劑以4電子途徑催化ORR，其ORR起始電位為0.08 V，優(yōu)于商品化Pt/C催化劑(0.06 V)。經(jīng)過(guò)8000圈的快速老化測(cè)試以及10000 s的計(jì)時(shí)電流測(cè)試之后，催化劑的 ORR活性幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，表明催化劑具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。⑶以硫脲、硼酸、FeCl3·6H2O混合物為催化劑前體，采用高溫煅燒法制備氮/硫/硼三摻雜碳材料(Fe

5、-N/S/B-C)。物性測(cè)試表明 Fe-N/S/B-C催化劑為包覆結(jié)構(gòu)，金屬鐵物種被包覆于碳層結(jié)構(gòu)中，N、S、B三種非金屬元素成功摻入Fe-N/S/B-C催化劑中，活性的吡啶型N、噻吩型S以及B-C物種有效地促進(jìn)材料ORR活性的提升。電化學(xué)測(cè)試表明Fe-N/S/B-C催化劑的ORR半波電位為-0.1 V，優(yōu)于Pt/C催化劑(-0.131 V)。8000圈的快速老化測(cè)試后催化劑半波電位僅負(fù)移8 mV，經(jīng)過(guò)10000 s的計(jì)時(shí)電流測(cè)試后催化