大孔碳載鈷-吲哚乙酸配位化合物氧還原催化劑的研究.pdf

1、燃料電池(Fuel cell)因?yàn)槠淠芰哭D(zhuǎn)換效率高和環(huán)境友好等特點(diǎn)而備受關(guān)注。陰極氧還原反應(yīng)（ORR）動(dòng)力學(xué)上反應(yīng)遲緩，是制約燃料電池性能的主要因素。傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池采用碳載鉑(Pt/C)作為ORR催化劑，但貴金屬鉑資源稀缺、價(jià)格昂貴，因此，開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良性能的非貴金屬ORR催化劑具有重要意義。本文研制了成本低廉且性能優(yōu)良的非貴金屬ORR催化劑，探討了其催化中心，研究了催化劑的構(gòu)效關(guān)系，并應(yīng)用于硼氫化鈉燃料電池中，對(duì)其性能和穩(wěn)定性

2、進(jìn)行測(cè)試。
　　本文分別以BP2000和納米碳酸鈣為模板、葡萄糖為碳源制備的大孔碳(MPC(900))材料作為碳載體，采用水熱法制備了鈷、吲哚乙酸（IAA）修飾的BP2000/MPC(900)催化劑（Co-IAA/C）。運(yùn)用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)、X射線粉末衍射(XRD)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP)等材料分析方法對(duì)合成催化劑的形貌、表面元素含量、晶體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了表征分析;采用旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)(RDE)

3、、循環(huán)伏安法(CV)對(duì)催化劑的氧還原特性進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，考察了不同碳載體、摻雜金屬陽(yáng)離子和陰離子、摻雜氮含量及熱處理對(duì)催化劑性能的影響。
　　分析研究表明，碳載體對(duì)鈷配位吲哚乙酸(Co-IAA)催化活性發(fā)揮有很大影響。大孔碳(MPC)具有較大的比表面積及電導(dǎo)率，其內(nèi)孔結(jié)構(gòu)可以克服傳統(tǒng)碳材料BP2000作為載體時(shí)催化中心易遷移、團(tuán)聚的缺點(diǎn)，顯著提高了氧還原反應(yīng)的極限電流密度。通過(guò)摻雜不同量的IAA，研究結(jié)果表明，Co-IAA/M

4、PC(900)存在一個(gè)最優(yōu)值的IAA摻雜量。通過(guò)金屬前驅(qū)體中不同金屬陽(yáng)離子(Co(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、 Ni(Ⅱ))及不同陰離子(NO3-、Cl-、SO4-)對(duì)所得催化劑活性影響的研究，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子的作用按照Ni(Ⅱ)＜Fe(Ⅲ)＜Co(Ⅱ)順序遞增，陰離子的作用按照NO3-＞Cl-＞SO4-順序遞減，Co(NO3)2為最佳金屬前驅(qū)體。熱處理促進(jìn)了能夠催化4電子ORR的石墨型氮及Co-N的生成，顯著提高催化劑的穩(wěn)定性及催化活性。
　　

5、將葡萄糖與CaCO3混合物燒結(jié)至650℃后酸洗除去CaCO3，得到碳載體MPC(650)，之后合成催化劑Co-IAA/MPC(650)-900，相比于催化劑Co-IAA/MPC(900)-900，其氧還原催化性能得到極大提升;為驗(yàn)證在制備MPC時(shí)CaCO3作用的影響，向已經(jīng)制備好的MPC(650)中沉淀不同比例的CaCO3后900℃燒結(jié)、除去。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沉淀CaCO3后的碳載體制備所得催化劑的傳質(zhì)性能變得很差，且催化劑的催化性能會(huì)隨

6、著沉淀CaCO3量的增大而減小。之后向大孔碳中摻氮及優(yōu)化熱處理溫度，可以進(jìn)一步顯著提高催化劑的活性。
　　將催化劑Co-IAA/MPC(650)-900用作氧還原陰極催化劑，組裝成直接硼氫化鈉燃料電池(DBFC)。通過(guò)抽真空方法，改進(jìn)陰極電極制備方法，室溫下最大輸出功率可以達(dá)到178 mW cm-2，稍低于28.6wt.％ Pt/C的192 mW cm-2。60mA恒電流下，DBFC可以持續(xù)穩(wěn)定放電53h，說(shuō)明其作為氧還原催化劑在