碳載稀土鑭化合物復合材料的制備及其電催化性能的研究.pdf

1、氧氣還原反應（ORR)一直以來都是非常重要的電化學反應，廣泛應用于先進能源轉換和存儲設備中。但由于ORR是一個動力學緩慢的過程，因此限制了ORR的進一步發(fā)展應用。為了解決上述問題，發(fā)展高效的ORR催化劑就變得尤為迫切。稀土鑭的4f電子軌道中有7個軌道具有成鍵能力，在成為化合物的中心原子時配位數具有多變性(6到12)，這種特殊的電子結構使得鑭化合物在電催化領域具有非常大的應用前景。
　　首先，通過尿素水解法制備了三種不同鑭化合物La

2、OHCO3，La2O3和La2O2CO3，粒徑分別為20，18，16nm。對其進行電催化氧氣還原反應(ORR)性能測試，發(fā)現(xiàn)碳酸氧鑭具有優(yōu)異的電催化活性。其次，以酸化炭黑為載體，以碳酸氧鑭為活性物質，將碳載體與碳酸氧鑭復合，得到碳載碳酸氧鑭復合催化劑。最佳制備條件為鑭離子濃度2.5mM，尿素濃度0.2M，反應溫度85℃，反應時間2h，熱處理溫度550℃。碳酸氧鑭的負載率對復合催化劑的活性起著非常大的影響，當碳酸氧鑭的負載率為20％時具有

3、最高的活性。此外，將復合催化劑進行摻氮改性和負載貴金屬鉑以進一步提高電催化性能，當尿素與催化劑的比為1∶2時復合催化劑具有最高的活性，相對于未摻氮催化劑半波電位提高80mV。當鉑的實際負載量為2％時活性最佳。為了降低復合催化劑的過氧化氫產率，制備了碳酸氧鑭@氧化鑭核殼復合催化劑，二氧化鈰-碳酸氧鑭多相復合催化劑，當二氧化鈰負載率為5％時具有最低的過氧化氫產率。上述改性使碳載鑭化合物復合材料的活性得到了極大的提升，過氧化氫產率也得到了降低

4、。
　　對復合催化劑的高電催化活性起源進行分析，一方面是鑭化合物本身電子能級結構的影響。在外加電流的作用下，鑭化合物價帶上的電子首先被激發(fā)，當其帶隙值較小并且O2/OH-的位置位于鑭化合物能帶之間時，被激發(fā)的電子能夠躍遷至鑭化合物的導帶上，之后轉移至O2未占據的π*2p軌道上，強化了O2吸附，促進了ORR過程。另一方面是鑭化合物與碳材料界面形成的化學鍵以及電子轉移也會促進ORR電催化過程。當電子通過鑭化合物和碳載體之間形成的化學鍵