M(Fe、Co)-N-C作為燃料電池陰極非貴金屬催化劑研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)因其清潔、高效和高相容性等特點(diǎn)，成為21世紀(jì)備受關(guān)注的綠色新能源。然而被廣泛使用的貴金屬Pt基催化劑，價(jià)格高昂且易中毒，嚴(yán)重制約了PEMFC的商業(yè)化步伐。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉的高活性、高抗毒性催化劑。
　　本文以煙酰胺(NIA)為氮源，F(xiàn)e、Co鹽為金屬源，高比表面積的碳黑KJ600為載體，采用高溫?zé)峤夥?，制備了一系列在酸性介質(zhì)中具有高活性和穩(wěn)定性的M-N-C型非貴金屬催化劑。考察了熱解溫度、

2、金屬含量、金屬配比等條件和催化劑結(jié)構(gòu)對(duì)活性的影響。采用TG、XRD、FTIR、SEM、EDS、TEM、BET、XPS等檢測(cè)技術(shù)，對(duì)催化劑的表面成分、結(jié)構(gòu)形貌、比表面積進(jìn)行了分析。利用旋轉(zhuǎn)環(huán)盤(pán)電極(RRDE)和旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極(RDE)對(duì)自制催化劑的催化性能進(jìn)行了分析，并通過(guò)加速衰減法(ADT)檢測(cè)了催化劑的穩(wěn)定性，明確了影響M-N-C催化性能的主要因素，并進(jìn)一步探討了催化中心的可能構(gòu)成。
　　ORR性能分析表明：若以CoCl2·6H2

3、O為單一金屬源時(shí)，當(dāng)熱解溫度為850℃，Co摻雜量為50mg時(shí)，Co-N-C催化劑達(dá)到最佳ORR活性和最低的H2O2產(chǎn)率，其半波電位為0.75V，質(zhì)量電流密度為7.35mA mg-1@0.75V，其在酸性介質(zhì)中穩(wěn)定性明顯優(yōu)于商業(yè)Pt/C；當(dāng)以FeCl3·6H2O為單一金屬源時(shí)，ORR活性較到較Co-N-C催化劑明顯提高，半波電位為0.76V，質(zhì)量電流密度為10.29mA mg-1@0.75V；而當(dāng)以CoCl2·6H2O、FeCl3·6H

4、2O作為復(fù)合金屬源時(shí)，催化劑的ORR性能和穩(wěn)定性均進(jìn)一步提升，半波電位為0.77V，質(zhì)量電流密度為11.78mA mg-1@0.75V，ADT測(cè)試4000圈后，負(fù)移值只有33mV，較Pt/C的59mV縮小了一半左右。
　　結(jié)構(gòu)分析表明：
　　1、N的種類(lèi)、金屬配比、金屬摻雜量、催化劑表面形貌、催化劑納米結(jié)構(gòu)等因素都會(huì)影響催化劑的ORR性能；
　　2、N摻雜的C結(jié)構(gòu)、金屬與N、C結(jié)合的M-Nx-C結(jié)構(gòu)，均是單一金屬源催化