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燃料电池作为新一代能源转换技术,受限于阴极氧还原过程(ORR)中对铂基催化剂的依赖,无法实现大规模的商业化应用。过渡金属和氮共掺杂的碳基材料(M/N-C)催化剂,因具有价格低、制备方法简单、催化活性高、稳定性好等优点,被认为是最有望取代铂基催化剂作为燃料电池阴极氧还原催化剂的材料之一。金属有机框架材料(MOFs)具有结构的开放性、成分和结构的高度可控性等优点,成为制备M/N-C催化剂的理想前驱体选择。但是,MOFs也存在着一些固有缺陷:(1)单纯的MOFs材料大多是纳米级别分散的颗粒,碳化后导电性差;(2)MOFs材料碳化后表面多为微孔,阻碍了活性位点的暴露;(3)MOFs材料作为催化剂使用时,颗粒容易粘结团聚,严重影响了催化剂的使用寿命。为解决以上问题,本文分别采用添加调节剂控制生长过程和添加碳载体的方法,由MOFs材料衍生制备了氮掺杂交联结构碳基材料和过渡金属、氮共掺杂的一维、二维碳基材料,提高了材料的导电性和活性位点暴露率,使其具有与商业铂碳相媲美的催化性能。具体研究方案如下:(1)以硝酸锌和2-甲基咪唑为前驱体,在水杨酸的调节下一步可控制备交联结构沸石咪唑酯骨架结构材料ZIF-8-L,碳化后得到N-C-L纳米催化剂材料。水杨酸的加入改变了ZIF-8的生长过程,产生了交联结构,有效连接单个催化剂颗粒,减小了颗粒之间的界面电阻。与纯ZIF-8碳化所得的N-C相比,N-C-L的催化性能有所提升,起始电位和极限电流密度分别达到了0.93 V和-5.7 mA/cm~2。但是由于其不含活性金属,性能仍然与商业铂碳有一定差距。(2)以硝酸钴、2-甲基咪唑和酸化的碳纳米管为前驱体,在碳纳米管上原位合成ZIF-67,碳化后制备原位掺杂的一维Co/N-CNTs纳米催化剂材料。通过控制ZIF-67生长时间,实现了Co元素的均匀掺杂,避免了Co颗粒团聚的现象,同时结合碳管导电性高、开放性好的特点,Co/N-CNTs在碱性条件下具有与商业铂碳相媲美的催化活性和优于商业铂碳的稳定性,其起始电位和极限电流密度分别达到了0.95 V和-5.2 mA/cm~2。(3)在实验(2)的基础上,在表面活性剂聚乙烯吡咯烷铜(PVP)的辅助下,以硝酸锌、硝酸钴、2-甲基咪唑、氧化石墨烯(GO)为前驱体,制备了原位掺杂的富介孔二维片状Co/N-GO催化剂材料。二维片层结构以及丰富的介孔为材料提供了大比表面积,Co、N元素的均匀掺杂提供了丰富的CoN_x活性位点,因而所制备的5%Co/N-GO催化剂材料在碱性条件下具有优于商业铂碳的催化活性和稳定性,其起始电位和极限电流密度分别达到了0.97 V和-5.8 mA/cm~2,并具有优秀的四电子选择性。