聚苯胺衍生的氧還原非貴金屬催化劑研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）因其較高的能量轉(zhuǎn)換效率和CO2及污染物零排放等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前景的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。目前，鉑基催化劑是用于PEMFC陰極氧還原反應(yīng)的最好的催化劑。然而鉑高昂的價(jià)格和稀缺的資源限制了PEMFC的大規(guī)模應(yīng)用。碳基非貴金屬催化劑是一類很有希望替代鉑基催化劑的氧還原催化材料。最近幾十年來，碳基非貴金屬催化劑的研究取得了長足的進(jìn)步，但仍與鉑基催化劑有一定差距。探究非貴金屬催化劑的活性位點(diǎn)本質(zhì)，研發(fā)提高活性位點(diǎn)密

2、度的技術(shù)，設(shè)計(jì)合理的納微觀結(jié)構(gòu)是目前碳基非貴金屬催化劑研究的主要方向。
　　基于此，本文開展以下兩方面的研究工作：
　?、籴槍?duì)一般的雜原子摻雜碳氧還原催化劑表面活性位點(diǎn)密度低且分布不均勻，催化劑微觀形貌不合理等缺點(diǎn)，采用具有特殊形貌的磺酸根摻雜聚苯胺（PANI）為前驅(qū)體，以原位摻雜的方式制備出了一種氮硫雙摻雜碳的微孔納米棒狀氧還原催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)水楊酸/苯胺（SA/AN）的摩爾比可以調(diào)控PANI前驅(qū)體的形貌，納米棒狀形

3、貌對(duì)于活性位點(diǎn)的充分暴露和傳質(zhì)的促進(jìn)作用最為有效。FeCl3在熱處理過程中起到造孔劑和微觀形貌調(diào)控的作用，可利用的負(fù)載有高密度活性位點(diǎn)的微孔對(duì)氧還原反應(yīng)（ORR）有決定性作用。氧還原測試表明，活性最好的催化劑在酸性介質(zhì)中的半波電位為0.75V，且與商業(yè)Pt/C催化劑相比具有更好的穩(wěn)定性。次外，本研究采用的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的方法也可以應(yīng)用于其它微孔型雜原子摻雜碳材料的合成。
　　②非貴金屬氧還原催化劑三維形貌和孔分布的構(gòu)筑對(duì)于質(zhì)量傳輸和電子

4、傳導(dǎo)有直接影響，本研究采用熔融鹽輔助碳化的方法，合成了具有微孔-大孔結(jié)構(gòu)的納米纖維狀三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)碳基非貴金屬氧還原催化劑。研究表明，熔融鹽輔助碳化的方法以一種濕化學(xué)的方式使得聚苯胺前驅(qū)體在液相環(huán)境中進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，完成一系列物理和化學(xué)轉(zhuǎn)變，從而有效地調(diào)控催化劑的形貌、孔結(jié)構(gòu)和表面元素及其化學(xué)狀態(tài)等，進(jìn)而影響催化劑的電催化性能。所制得的電化學(xué)性能最好的催化劑具有最大的比表面積和微孔體積，在單電池測試中表現(xiàn)出了440mW cm-2的峰值功率