基于介孔碳材料的氧還原電催化劑研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為燃料電池中的一類由于具有能量密度高、操作溫度低、排放污染物少等特點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用在可移動(dòng)電源和便攜式電子產(chǎn)品中，引起了人們的廣泛關(guān)注。陰極氧還原催化劑是PEMFC的核心部件，雖然PEMFC的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但陰極催化劑在催化氧還原過程中長期穩(wěn)定性較差、動(dòng)力學(xué)過程較緩慢，仍然是制約質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化的關(guān)鍵問題。
　　本文基于介孔碳材料的優(yōu)異性能，開展了鉑與介孔碳的復(fù)合研究，制備了氮摻雜

2、中空碳微球包裹鉑納米粒子復(fù)合材料(HNCMS@Pt NPs)和以Al-PCP高溫碳化的高層次多孔碳材料(HPC)作為催化劑載體的Pt/HPC復(fù)合材料，并將它們用作酸性條件下的氧還原反應(yīng)催化劑。以金屬有機(jī)框架化合物ZIF-8為前驅(qū)物，高溫?zé)峤獾慕榭滋贾袚诫s磷元素，得到了磷氮共摻雜的介孔碳材料并研究了其在堿性條件下的氧還原性能。論文的具體工作如下:
　　(1)將鉑納米粒子負(fù)載于氨基化二氧化硅微球上，獲得Pt NPs/SiO2復(fù)合材料。

3、然后通過多巴胺自聚合反應(yīng)在Pt NPs/SiO2復(fù)合材料上包裹聚多巴胺(PDA)膜，將其在氮?dú)鈿夥罩兄苯舆M(jìn)行碳化處理并通過氫氟酸溶液刻蝕去除SiO2，獲得了內(nèi)嵌有Pt NPs的氮摻雜中空碳微球(HNCMS@Pt NPs)。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)、拉曼光譜儀(Raman)、比表面積分析儀(BET)和X射線光電子能譜儀(XPS)對(duì)HNCMS@Pt NPs復(fù)合材料的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。

4、采用循環(huán)伏安法(CV)和線性掃描伏安法(LSV)研究了HNCMS@PtNPs復(fù)合材料的電催化氧還原性能。結(jié)果表明:HNCMS@PtNPs催化劑的Pt載量高達(dá)11.9wt.％，對(duì)氧還原反應(yīng)具有高電催化活性、高穩(wěn)定性和優(yōu)良的抗甲醇性能。
　　(2)以鋁的多孔配位聚合物Al-PCP為碳源，直接高溫?zé)崽幚淼玫礁邔哟蔚亩嗫滋疾牧螲PC，通過微波輔助還原法將鉑納米粒子均勻分散在HPC載體上(Pt/HPC)。采用SEM、TEM、Raman、XR

5、D、BET等手段表征了材料的形貌、結(jié)構(gòu)和孔徑分布。結(jié)果表明:鉑納米粒子在介孔碳上均勻分散和小顆粒沉積。并用CV、LSV、加速壽命測(cè)試(ADT)等技術(shù)考察了Pt/HPC復(fù)合材料在0.5M H2SO4溶液中的氧還原性能。Pt/HPC催化劑的氧還原起峰電位比商業(yè)E-TEK Pt/C的更正，極限電流密度是商業(yè)E-TEK Pt/C的1.6倍。經(jīng)過ADT測(cè)試后，商業(yè)E-TEK Pt/C的半波電位負(fù)移了52mV,而Pt/HPC的半波電位只負(fù)移了11m

6、V，說明Pt/HPC催化劑具有優(yōu)異的氧還原性能和長期穩(wěn)定性。
　　(3)以金屬框架有機(jī)物ZIF-8為前驅(qū)物，高溫碳化得到氮摻雜的介孔碳材料，再以1，2-乙烯基二磷酸為磷源，通過吸附，高溫?zé)崽幚碇苽淞肆椎矒诫s的介孔碳材料(PNDCS)。通過SEM、XRD、Raman、BET對(duì)PNDCS催化劑的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并用CV、LSV、I-t測(cè)試了此材料在0.1M KOH溶液中氧還原性能。結(jié)果表明PNDCS材料是菱形十二面體的形貌，尺寸