吲哚類化合物修飾碳載鈷催化劑對氧還原催化作用的研究.pdf

1、燃料電池由于其能量轉(zhuǎn)換率高和對環(huán)境友好等優(yōu)點而受到廣泛關注。陰極氧還原反應（ORR)是制約燃料電池發(fā)展和推廣的重要因素，傳統(tǒng)的ORR催化劑使用的是碳擔載鉑(Pt/C)，Pt具有優(yōu)良的ORR催化活性，但是Pt是貴金屬，資源稀少，價格昂貴，限制了燃料電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，因此開發(fā)非貴金屬催化劑成為了燃料電池的研究熱點之一。本文研究了吲哚和吲哚羧酸修飾碳載非貴金屬材料作為ORR催化劑，探討其在酸性和堿性介質(zhì)中的催化機理，測試其電化學性能，并用于燃

2、料電池，對其性能和穩(wěn)定性進行驗證。
　　本文采用水熱法合成復合催化劑材料M-N/C，并首次采用原位透射電鏡對催化劑熱處理過程中的形貌和結(jié)構(gòu)變化進行分析，采用傅里葉紅外光譜(FT-IR)、X射線粉末衍射儀(XRD)、核磁共振光譜(NMR)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP)等分析方法對材料進行分析表征;采用循環(huán)伏安法(CV)、旋轉(zhuǎn)圓盤法（RDE）等對材料的電化學性能進行測試。通過對催化劑材料的結(jié)構(gòu)成分和在不同介質(zhì)中的電化學性能進行分

3、析，推測影響催化劑活性的關鍵因素。
　　研究表明，吲哚修飾碳載鈷催化劑(Co-indole/BP)和吲哚羧酸（吲哚甲酸:ICA，吲哚乙酸:IAA，吲哚丙酸:IPA，吲哚丁酸:IBA）修飾碳載鈷催化劑都具有良好的ORR催化活性。Co-IAA/BP在酸性和堿性介質(zhì)中的的催化劑活性明顯高于Co-indole/BP。通過原位透射電鏡檢測到Co-indole/BP和Co-IAA/BP在氬氣環(huán)境下熱處理到900℃的過程中(將熱處理后的催化劑分

4、別記作Co-indole/BP(900)和Co-IAA/BP(900))，有Co3O4晶體形成，Co-indole/BP(900)和Co-IAA/BP(900)在酸性和堿性介質(zhì)中均具有更高的ORR催化活性。此外，Co-IAA/BP(900)的氧還原初始電位、動力學電流密度和反應轉(zhuǎn)換電子數(shù)都明顯高于Co-indole/BP(900)。
　　Co-IAA/BP及Co-indole/BP(900)和Co-IAA/BP(900)催化劑在酸

5、性介質(zhì)下也具有良好的ORR催化活性，是因為在Co-IAA和Co3O4中的氧原子具有孤對電子，能夠吸引酸性介質(zhì)中的質(zhì)子。在酸性介質(zhì)中，同時含有親電中心（Co3O4中的Co）和親核中心(Co3O4中的O)催化活性中心是其具有良好的ORR催化活性的主要原因。
　　在以上研究成果的基礎上，通過直接甲醇燃料燃料電池(DMFC)和直接硼氫化鈉燃料電池(DBFC)對Co-IAA/BP(900)催化劑進行了實證，在DMFC中，其放電性能比10％