鈷基氮摻雜介孔碳材料的制備及其電催化性能的研究.pdf

1、燃料電池因能量轉化效率高、環(huán)境友好、安靜等諸多優(yōu)點被認為最有應用前景的綠色氫能轉化裝置。Pt基催化劑是目前性能最優(yōu)異的氧氣還原(ORR)電催化劑，但是Pt金屬昂貴且易中毒等致命缺點直接阻礙了燃料電池的商業(yè)化發(fā)展，因此開發(fā)新型高效非貴金屬陰極電催化劑是亟待解決的關鍵問題。
　　在非貴金屬陰極電催化劑中，過渡金屬-氮-碳（M-N-C）復合物因其低成本、高活性和高穩(wěn)定性等優(yōu)點已引起國內外科研人員的廣泛關注。該類催化劑通常由含氮前驅體在一

2、定的氣氛中煅燒所制得，其催化活性與其前驅體化學組成、煅燒溫度以及氣氛等要素息息相關，但是目前科研界對其催化機理尚存較大爭論。因此，以高效ORR電催化為功能導向，開展新型高活性氮摻雜金屬碳催化材料的結構設計與可控制備研究，對燃料電池的商業(yè)化發(fā)展具有重要意義。
　　本論文以葡萄糖為碳源，無機鈷鹽為鈷源，分別以含氮有機小分子乙二胺四乙酸(EDTA)和三聚氰胺為氮源，并詳細優(yōu)化熱解溫度和金屬負載量，經一步熱解法可控制備得到兩類鈷基氮摻雜介

3、孔碳材料。通過對樣品化學組成、結構、形貌以及ORR電催化性能等進行詳細表征和分析，系統(tǒng)探討熱解溫度、金屬含量、氮源和碳載體等因素對其電催化性能的影響規(guī)律，以期揭示催化劑結構與電催化性能之間的構-效關系和不同組分之間的協(xié)同效應，為新型高效非貴金屬電催化材料的化學組成和結構設計提供科學依據和奠定基礎。主要研究內容如下:
　　(1)分別以葡萄糖(glucose)、硝酸鈷和EDTA為碳源、鈷源和氮源，先利用EDTA的強螯合作用得到Co-E

4、DTA/glucose前驅體，再在惰性氣氛條件下經一步熱解可控制備得到系列鈷基氮摻雜雙功能氧電極催化劑C-T（T=500、600、700、800和900℃，熱解溫度），主要考察了熱解溫度、氮物種等對其ORR和OER性能的影響規(guī)律。研究結果表明，熱解溫度為600℃時，所制得催化劑C-600中Co和N元素分布均勻，含氮量最高（約為9.79at％），比表面高達423m2g-1，而且缺陷位最多(ID/IG=1.93);相比較，C-600在KOH

5、電解質中表現出最優(yōu)的ORR和OER雙功能電催化性能，如該催化劑在1600rpm時ORR起始電壓、半波電位和極限電流密度分別為0.87V，0.76V和5.6mA cm-2，接近商業(yè)Pt/C催化劑，其OER在10mA cm-2的過電位為390mV，接近商業(yè)IrO2/C催化劑。
　　(2)以葡萄糖水熱制備的納米碳球為載體，以乙酸鈷為鈷源，以及以十二烷基磺酸鈉(SDS)為形貌控制劑，先通過共沉淀法得到負載鈷碳球前驅體，然后在前驅體與三聚氰

6、胺均勻混和基礎上，再經一步熱解可控制備鈷基氮摻雜碳納米管/碳球復合材料CNCo-x(x=10mCo/mCSs，質量比)，考察了不同金屬負載量、酸刻蝕和氮物種對CNCo-x催化劑ORR性能的影響規(guī)律。研究結果表明，當mCo/mCSs=0.3（樣品CNCo-3）時，樣品含氮量最高(10.03at％)，比表面積高達550m2g-1以及缺陷位最多(ID/IG=1.85);微量鈷的摻入大幅度提高催化劑ORR活性，其最優(yōu)值為mCo/mCSs=0.3