有序介孔碳負載過渡金屬氧化物催化劑的合成及電催化性能研究.pdf

1、過渡金屬氧化物價格低廉，制備簡單，來源廣泛，是燃料電池中陰極催化劑的重要研究對象，具有電催化氧還原和析氧催化活性。本論文首先以有序介孔二氧化硅(SBA-15)為模板，采用納米澆注的方法合成有序介孔碳(MC)。以有序介孔碳為載體，采用水熱合成的方法，合成有序介孔碳與過渡金屬氧化物（單元、雙元、三元）的納米復合物，并研究其氧氣還原(ORR)或氧氣析出(OER)電催化性能。本論文的主要研究結(jié)果如下:
　　以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB

2、)為表面活性劑，采用水熱合成法制備有序介孔碳與過渡雙金屬氧化物CoFe2O4(CFO)的納米復合物，并研究不同熱處理溫度對其催化性能的影響。經(jīng)過不同溫度熱處理后，400℃下熱處理的樣品(CFO/MC-400)的樣品表現(xiàn)出最好的電催化ORR性能，顯著優(yōu)于CFO和MC，同時，CFO/MC-400也表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化OER特性。進一步分析表明:CFO/MC-400納米復合物的比表面積高達150m2g-1，CFO納米顆粒在MC上均勻分布，且MC

3、原有的有序介孔結(jié)構(gòu)未遭破壞。同時，CFO/MC-400納米復合物在ORR和OER催化過程中都表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性，并優(yōu)于商用Pt/C。CFO/MC-400納米復合物的優(yōu)異雙功能催化活性，主要得益于納米復合物的有序介孔結(jié)構(gòu)，以及CFO與MC之間的強烈耦合作用。
　　采用水熱合成法制備NixCo1-xFe2O4納米顆粒與MC的納米復合物，在400℃下對納米復合物進行熱處理，研究不同鎳鈷比例對納米復合物電催化ORR性能的影響。測試結(jié)果表明

4、:隨著Ni元素的含量逐漸降低，NixCo1-xFe2O4納米復合物的ORR催化活性不斷提高，CoFe2O4/MC表現(xiàn)出最好的催化活性以及最高的穩(wěn)定性。當納米復合中存在Ni元素時，納米顆粒在MC上呈團聚現(xiàn)象，團聚的納米顆粒會覆蓋范圍活性位點，從而降低納米復合的催化活性。同時，團聚的納米顆粒在ORR催化過程中容易從MC上脫落，降低納米復合物的催化穩(wěn)定性。
　　以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為表面活性劑，采用水熱合成法制備MC與過渡單金屬氧

5、化物CoO的納米復合物，研究表面活性劑PVP不同添加量對其氧氣還原催化性能的影響。以PVP作為表面活性劑，CoO納米顆粒在MC上均勻分布。當表面活性劑PVP添加量為1.5g時，所制備的CoO/MC-1.5納米復合物的比表面積高達290.5m2g-1，使得更多的催化活性位點暴露在表面，從而有助于提高其催化活性。CoO/MC-1.5納米復合物在ORR反應過程中表現(xiàn)出較正的起始電位以及較高的極限電流密度，其催化過程是一個直接4電子轉(zhuǎn)移途徑。除