【摘 要】
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近年来,不可再生资源的快速消耗以及环境问题日益威胁人类的生存。质子交换膜燃料电池和金属空气电池作为环保、高效和可持续的电化学能量转换系统,引起科研群体的广泛关注。其中燃料电池在阴极发生的氧还原反应的反应速率对于燃料电池的高效运行至关重要。目前性能最好的铂基贵金属催化剂因其价格昂贵,稳定性不足等问题被限制广泛应用,故研究开发高活性、高稳定性的非贵金属氧还原反应催化剂对优化燃料电池的性能具有重要的现实
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近年来,不可再生资源的快速消耗以及环境问题日益威胁人类的生存。质子交换膜燃料电池和金属空气电池作为环保、高效和可持续的电化学能量转换系统,引起科研群体的广泛关注。其中燃料电池在阴极发生的氧还原反应的反应速率对于燃料电池的高效运行至关重要。目前性能最好的铂基贵金属催化剂因其价格昂贵,稳定性不足等问题被限制广泛应用,故研究开发高活性、高稳定性的非贵金属氧还原反应催化剂对优化燃料电池的性能具有重要的现实意义。金属有机框架材料特别是沸石型咪唑酯类框架（zeolitic imidazolate framework,ZIF）材料,其比表面积大,碳氮含量高,热稳定性好且金属锌在高温下易挥发。因而,ZIFs被认为是获得高分散、高活性的金属-氮-碳（metal-nitrogen-carbon,M-N-C）型催化剂的理想前驱体。本文以ZIF-8为前驱体,合成两种基于ZIF-8衍生的催化剂,并对合成样品的微观形态,结构组成,孔径大小和分布以及催化性能等进行表征与分析测试。考察了催化剂的组分,掺杂元素的含量和热处理条件对其氧还原催化性能的影响。主要研究内容和结果如下:（1）以绿矾为Fe源,硼酸为B源,ZIF-8为C源和N源,合成了少量Fe和B共同掺杂的多孔氮-碳材料（Fe-B/N-C）。电化学测试结果表明,当反应温度为1000℃,原料比为2:1时,制得的Fe2-B/N-C催化剂性能最好,在碱性介质中表现出良好的氧还原性能,其起始电位为1.02 V,半波电位为0.84 V,与商业Pt/C催化剂性能相当。该催化剂具有稳定的石墨碳结构,故稳定性良好,且有着出色的抗甲醇毒化能力。（2）以绿矾为Fe源,ZIF-8为N源和C源,三聚氰胺为额外引入的N源,合成微量Fe掺杂的多孔氮-碳材料（Fe-N-C）。结果表明,制备的Fe1-N-C具有最好的ORR电催化性能。所制备的样品在碱性电解液中的起始电位和半波电位分别为1.03 V和0.87 V,在酸性电解液中的起始电位和半波电位分别为0.98 V和0.81 V。此外,Fe1-N-C还表现出比商业Pt/C更好的抗甲醇毒化能力、循环稳定性和耐久性。
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