石墨烯負載非貴金屬錳催化劑的制備與ORR性能研究.pdf

1、近些年來，隨著人口的日趨增多和工業(yè)化經濟的加速進程，對化石能源的需求不斷上漲，但化石能源屬于不可再生性的能源，終究有一天會被人們消耗殆盡。因此，我們迫切希望找到可以取代它的新型、環(huán)境友好可再生的新能源，以實現資源的長期發(fā)展。燃料電池（Fuel Cells）、鋰離子電池（Lithiumion Batter）、太陽能電池（Solar Cells）、金屬-空氣電池（Metal–air Cells）和超級電容器（Supercapacitor）等

2、電化學能源設備目前正受到人們廣泛的關注。燃料電池（Fuel Cell）具有很多優(yōu)點如能量密度較高、污染較小、使用壽命較長、操作很方便、可連續(xù)工作等，因此被認為是未來便攜式電子產品的替代能源之一。然而氧氣還原（Oxygen Reduction Reaction，ORR）催化劑嚴重限制了燃料電池的發(fā)展，所以燃料電池中的氧還原催化劑在提升其電池性能方面起著至關重要的作用。含鉑的電催化劑在氧還原反應中是催化性能最優(yōu)秀的催化劑之一，然而它也有很多

3、局限性如成本很高、循環(huán)穩(wěn)定性不好、電子轉移動力學緩慢和自然存儲量少等，這些局限性制約了它作為燃料電池催化劑的商業(yè)化的發(fā)展過程。因此，廉價、環(huán)保、易于商業(yè)化的催化劑材料越來越成為燃料電池研究的重要內容之一。盡管關于氧還原催化劑的研究由來已久，但是在如何降低催化劑成本的前提下提高氧還原催化劑的活性和循環(huán)穩(wěn)定性仍然存在很多的挑戰(zhàn)。
　　本文在總結以往氧還原催化的研究基礎上，開展了石墨烯基非貴金屬錳催化劑的制備及其在氧還原性能方面的研究：

4、
　　1、采用簡單便捷的水熱方法制備了 MnO2/rGN復合型催化材料。通過對MnO2/rGN復合型催化劑進行電化學測試，結果表明：該催化劑具有優(yōu)秀的氧還原催化活性：不僅具有可以跟商業(yè)催化劑相媲美的起始電位和極限電流密度，而且擁有很好的循環(huán)穩(wěn)定性和較高的甲醇容納量。此外，該催化劑在催化過程中遵循“四電子反應途徑”，保障了它的催化效率。通過XRD、XPS、SEM和TEM等表征分析，認為：MnO2/rGN復合催化劑材料是由MnO2納米

5、棒與薄層狀的石墨烯組成的。其中，石墨烯的主要作用是提升其電導率，減小內阻；二氧化錳（MnO2）納米棒負載于石墨烯薄層上，它的作用是在電極表面快速的吸附氧并且催化其發(fā)生氧還原反應。二氧化錳擁中離子 Mn4+可以提供正電荷來吸脫附氧并催化還原，石墨烯具有高的電導率、好的熱穩(wěn)定性能和大的比表面積，二者合成的復合催化劑具有優(yōu)勢互補的特性。與商業(yè)Pt/C催化劑相比，MnO2/rGN復合材料催化劑具有較為優(yōu)越的電催化活性。
　　2、采用回流的

6、方法，以四水合氯化錳為錳源，以石墨烯為載體，制備了Mn3O4/rGO復合型催化劑。該催化劑經過電化學測試，也表現出良好的氧還原催化性能：起始電位約為-0.12 V（vs. SCE），極限電流約為4 mA/cm2，這與商業(yè)催化劑比較接近。此外還具有比較好的甲醇容納性和較好的循環(huán)穩(wěn)定性，催化過程也遵循“四電子反應途徑”。通過一系列的表征和分析，認為該催化劑能夠表現出如此優(yōu)秀的催化活性主要有三個因素：導電性非常高的石墨烯做載體；Mn3O4作為

7、催化氧還原反應的主要活性物質（四氧化三錳可以使中間產物過氧化氫加速分解）；二者之間的協同作用進一步提升了電催化活性。
　　3、采用微波輔助的方法，制備了復合催化劑MG-15(Mn3O4/rGO)，電化學測試結果顯示出良好的氧還原催化性能：具有比較正的起始電位，具有比較大的極限電流密度，具有防止甲醇毒化性能，而且具有比較好的循環(huán)穩(wěn)定性。通過表征分析，可知該復合催化劑中 Mn3O4以納米顆粒的方式均勻分布在石墨烯薄層上，形成夾層式結構