新型Fe-N-C電催化劑的制備及在燃料電池陰極氧還原反應(yīng)中的應(yīng)用.pdf

1、燃料電池具有較高的能量密度和發(fā)電效率、以清潔的能源為原料、并且零污染排放，是一種有發(fā)展前景的能源利用裝置。陰極氧還原反應(yīng)(ORR)在燃料電池中起著關(guān)鍵作用。燃料電池的快速發(fā)展需要ORR催化劑的進(jìn)步。盡管，鉑基催化劑的ORR催化活性最好，但是它們有一些缺點(diǎn)如價(jià)格昂貴、電子動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)移速率慢、堿性條件下易團(tuán)聚，這阻礙了其廣泛商業(yè)化。近期，一些非貴金屬催化劑被廣泛研究，例如氮摻雜碳材料、Fe/N/C材料等，它們有可能在未來(lái)替代鉑基催化劑。一些新

2、型的微孔碳載鐵基催化劑和鉑基催化劑的ORR催化性能相當(dāng)。我們的目標(biāo)是合成新型高催化活性的Fe/N/C及其衍生非貴金屬材料，用于ORR催化反應(yīng)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴由于石墨烯具有獨(dú)特的形貌、較大的比表面積、良好的導(dǎo)電性、及表面含有功能化的官能團(tuán)，所以本論文選擇用石墨烯作為碳載體。首先用改性休克爾方法合成了氧化石墨烯(GO)，為了提高其催化活性對(duì)其進(jìn)行了氮摻雜和硫摻雜改性處理，制備了聚吡咯/氧化石墨烯(Ppy/GO)、硫脲/氧

3、化石墨烯(Sulfourea/GO)。GO、Ppy/GO、Sulfourea/GO都是二維片層形貌，并且都具有ORR催化活性。通過(guò)ORR催化性能測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)GO具有一定的ORR催化活性，它的起始電位和陰極電流電位分別為-0.25 V(vs SCE)和-0.38 V(vs SCE)。Ppy/GO在GO、Ppy/GO、Sulfourea/GO三者之中的催化活性最高，它的起始電位和陰極電流電位分別為-0.21 V(vs SCE)和-0.35

4、 V(vsSCE)。氮摻雜改性會(huì)提高碳材料的ORR催化性能。⑵Fe/N/C復(fù)合材料因價(jià)格便宜、催化活性好，是一種很好的非貴金屬ORR催化劑。本論文采用水熱法合成了Fe2O3/聚吡咯/氧化石墨烯(Fe2O3/Ppy/GO)，其形貌為:Fe2O3分散在氮摻雜GO表面。經(jīng)過(guò)一系列研究發(fā)現(xiàn)，鐵的摻雜量為1.6％，煅燒溫度為800℃時(shí)，F(xiàn)e2O3/Ppy/GO具有最好的ORR催化活性。在0.1M KOH電解質(zhì)中測(cè)試，F(xiàn)e2O3/Ppy/GO-80

5、0的起始電位和陰極電流電位分別為-0.1 V(vs SCE)和-0.24 V(vsSCE)，電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.7，并且穩(wěn)定性很好（循環(huán)5000圈后催化性能降低大約5％）。Fe2O3/Ppy/GO的ORR催化活性及催化穩(wěn)定性較高，可能由于納米形態(tài)的Fe2O3和Ppy/GO之間具有較強(qiáng)的表面作用力、吡咯摻雜的氧化石墨烯具有較強(qiáng)的電子儲(chǔ)存及釋放能力。Fe2O3/Ppy/GO具有很高的ORR催化活性，說(shuō)明了新型Fe/N/C未來(lái)在燃料電池陰極催化劑

6、方面很有前景。⑶用相似的水熱法合成了Co3O4/聚吡咯/氧化石墨烯(Co3O4/Ppy/GO)和CoxFeyOz/聚吡咯/氧化石墨烯(CoxFeyOz/Ppy/GO)，探究了它們的ORR催化性能影響。通過(guò)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)Fe2O3/Ppy/GO比Co3O4/Ppy/GO和CoxFeyOz/Ppy/GO的催化性能好。鐵摻雜碳材料比鈷摻雜碳材料含有更多的ORR催化活性位。Co3O4/Ppy/GO的催化活性比Ppy/GO高，它的起始電位和陰極電