M(Fe、Co)-N-C作為燃料電池陰極非貴金屬催化劑研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池(PEMFC)因其清潔、高效和高相容性等特點，成為21世紀備受關注的綠色新能源。然而被廣泛使用的貴金屬Pt基催化劑，價格高昂且易中毒，嚴重制約了PEMFC的商業(yè)化步伐。因此，迫切需要開發(fā)價格低廉的高活性、高抗毒性催化劑。
　　本文以煙酰胺(NIA)為氮源，F(xiàn)e、Co鹽為金屬源，高比表面積的碳黑KJ600為載體，采用高溫熱解法，制備了一系列在酸性介質中具有高活性和穩(wěn)定性的M-N-C型非貴金屬催化劑。考察了熱解溫度、

2、金屬含量、金屬配比等條件和催化劑結構對活性的影響。采用TG、XRD、FTIR、SEM、EDS、TEM、BET、XPS等檢測技術，對催化劑的表面成分、結構形貌、比表面積進行了分析。利用旋轉環(huán)盤電極(RRDE)和旋轉圓盤電極(RDE)對自制催化劑的催化性能進行了分析，并通過加速衰減法(ADT)檢測了催化劑的穩(wěn)定性，明確了影響M-N-C催化性能的主要因素，并進一步探討了催化中心的可能構成。
　　ORR性能分析表明：若以CoCl2·6H2

3、O為單一金屬源時，當熱解溫度為850℃，Co摻雜量為50mg時，Co-N-C催化劑達到最佳ORR活性和最低的H2O2產(chǎn)率，其半波電位為0.75V，質量電流密度為7.35mA mg-1@0.75V，其在酸性介質中穩(wěn)定性明顯優(yōu)于商業(yè)Pt/C；當以FeCl3·6H2O為單一金屬源時，ORR活性較到較Co-N-C催化劑明顯提高，半波電位為0.76V，質量電流密度為10.29mA mg-1@0.75V；而當以CoCl2·6H2O、FeCl3·6H

4、2O作為復合金屬源時，催化劑的ORR性能和穩(wěn)定性均進一步提升，半波電位為0.77V，質量電流密度為11.78mA mg-1@0.75V，ADT測試4000圈后，負移值只有33mV，較Pt/C的59mV縮小了一半左右。
　　結構分析表明：
　　1、N的種類、金屬配比、金屬摻雜量、催化劑表面形貌、催化劑納米結構等因素都會影響催化劑的ORR性能；
　　2、N摻雜的C結構、金屬與N、C結合的M-Nx-C結構，均是單一金屬源催化