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燃料电池是能源转换装置的代表,可以直接将化学能转化为电能,因其能量转化率高、污染小、便携等特点,成为目前解决能源危机与环境污染等问题的核心技术。但其阴极氧还原反应(ORR)动力学过程缓慢,限制了燃料电池的商业化应用。传统的Pt基电催化剂价格昂贵、稳定性差、耐甲醇和CO能力弱,因此寻找价格低廉、清洁、高效且稳定的ORR催化剂成为目前研究的热点。经过不断努力,非贵金属催化剂的ORR活性已经大幅度提高,但仍需进一步改善才能与商业化Pt/C催化剂相媲美。本论文基于过渡金属Fe和Co元素,利用简单的方法合成了一系列氮掺杂的碳材料,其中目标催化剂的ORR活性与商业化Pt/C相近,有望成为可以替代Pt基催化剂的有前景的非贵金属ORR电催化剂。主要研究内容如下:(1)Fe/N双掺杂的中空多孔碳球纳米材料:利用双模板辅助热解法制备超小Fe3O4纳米粒子负载的铁氮双掺杂的中空多孔碳球(0.010-Fe/NHPCS-800)用于氧还原反应。合成的SiO2纳米球作为硬模板,用来形成大孔结构,F127充当软模板,高温热解后形成介孔结构。通过这种方法得到的0.010-Fe/NHPCS-800催化剂具有较大的BET表面积(1812 m2/g)和有序的多级孔结构,可以加快反应物的传质效率同时增加材料的电化学活性面积。被石墨化碳层包裹的Fe3O4纳米粒子为材料提供了更多的活性位点,而且Fe3O4纳米粒子与掺杂的氮元素之间的协同作用对材料的ORR活性起促进作用。在0.10MKOH溶液中,目标催化剂0.010-Fe/NHPCS-800 的起始电位(Eonset)是 0.95V(vs.RHE),半波电位(E1/2)是 0.81V,该值与商业化 Pt/C(Eonset=0.96V,E1/2=0.81V)相似,但0.010-Fe/NHPCS-800具有比商业化Pt/C更佳的稳定性和耐受性。(2)Co/N双掺杂的杂化碳纳米材料:采用ZIF-8、钴钛菁以及三聚氰胺为前体,在溶液中混合均匀后高温热解,合成碳纳米管缠绕的氮掺杂杂化碳纳米材料。在高温下形成的Co纳米粒子(NPs)催化ZIF-8衍生的碳纳米材料原位生长碳纳米管(CNTs),互相缠绕连接,形成目标催化剂Co@NC-ZM。通过目标催化剂Co@NC-ZM与NC-ZM和NC在碱性条件下的ORR活性对比,可以发现Co NPs催化生成的CNTs对提高碳材料的催化活性起到至关重要的作用。目标催化剂Co@NC-ZM的半波电位较商业化Pt/C正移20mV,起始电位与商业化Pt/C相同,而且目标催化剂Co@NC-ZM具有很好的稳定性。