氮摻雜碳材料的制備及其氧還原電催化性能研究.pdf

1、燃料電池（Fuel Cell，F(xiàn)C）是一種高效且環(huán)境友好的新能源裝置，它能把燃料中的化學能直接轉換成電能。然而，F(xiàn)C高成本及低耐久性嚴重制約了其商業(yè)化應用，其中高成本主要來自于催化FC陰極氧還原（ORR）反應所需的Pt及Pt基催化劑。研究開發(fā)高ORR催化活性、高穩(wěn)定性的非Pt催化劑是解決這一問題的理想方案。其中氮摻雜碳材料因其低成本、高活性、優(yōu)異的穩(wěn)定性和抗甲醇性能已成為燃料電池領域的研究熱點。
　　本論文以廉價易得的[2,4,6

2、]-三吡咯-[1,3,5]-三嗪（TPT）及其聚合物為原料，通過高溫熱解法制備了一系列具有高ORR活性的氮摻雜碳材料，并結合材料的形貌、微觀結構、元素組成、ORR催化活性等參數(shù)，對催化劑的ORR活性中心、催化機理進行了初步探討。本論文主要開展了以下幾方面的工作：
　　(1)氮摻雜碳納米管的制備及其氧還原性能研究。以酸化的單壁碳納米管（CNTs）為碳源，以TPT為氮源制備了氮摻雜碳納米管（NCNT）。X光電子能譜（XPS）測試結果表

3、明NCNT表面的N主要以石墨N的形式存在。電化學測試結果表明NCNT在堿性介質中具有良好的ORR催化活性以及優(yōu)異的穩(wěn)定性和抗甲醇性，其ORR電子轉移數(shù)接近4，起始電位為-0.038 V(vs. Ag/AgCl)，極限電流密度為6.47mA cm-2。
　　(2)基于PTPT的NC催化劑的制備及其氧還原性能研究。先以TPT為單體，過氧化苯甲酰（BPO）為氧化劑，在強質子酸三氟甲烷磺酸（TfOH）的作用下，使TPT通過氧化聚合制備了多

4、孔聚合物網(wǎng)絡（PTPT PN）。再高溫熱解該聚合物網(wǎng)絡（PTPT PN）制備了不含金屬（metal-free）的NC催化劑。BET測試結果表明該NC催化劑具有多孔結構和高比表面積（779m2 g-1）；XPS測試結果表明NC催化劑表面的N主要以石墨N和吡啶N的形式存在。相比商業(yè)Pt/C，所制備的NC催化劑在堿性介質中具有很好的ORR催化性能，其起始電位為0.008V(vs.Ag/AgCl)，極限電流密度為5.05mA cm-2，同時還具

5、有優(yōu)異的抗甲醇性和穩(wěn)定性。
　　(3)基于PTPT的Fe-N/C催化劑的制備及其氧還原性能研究。以二甲氧基甲烷(FDA)為交聯(lián)劑，無水FeCl3為催化劑，采用Friedel-Crafts反應使TPT聚合，制備了多孔聚合物網(wǎng)絡（PTPT PN）。再以該聚合物為氮源和碳源，在乙酸亞鐵的存在下經(jīng)高溫熱解制備了Fe-N/C催化劑。BET測試結果表明Fe-N/C-900具有多孔結構和高比表面積（710m2 g-1）；XPS測試出催化劑中N和

6、Fe的含量分別為2.1％和0.6%。電化學測試結果表明，F(xiàn)e-N/C-900在堿性介質中具有出色的ORR催化活性，其起始電位為0.041V(vs.Ag/AgCl)，極限電流密度為5.43mA cm-2，且穩(wěn)定性和抗甲醇性能均優(yōu)于商業(yè)Pt/C。
　　(4)基于P（TPT-Py）的Fe-NTP/C-900催化劑的制備及其氧還原性能研究。以TPT和具有較強的金屬配位能力的吡咯（Py）為單體，以二甲氧基甲烷(FDA)為交聯(lián)劑，無水FeCl

7、3為催化劑，采用Friedel-Crafts反應制備了多孔共聚物網(wǎng)絡（TPT-Py CPN）。再以該共聚物為氮源和碳源，在乙酸亞鐵的存在下經(jīng)過高溫熱解制備了Fe-NTP/C催化劑。BET測試結果表明Fe-NTP/C-900具有多孔結構和高比表面積（724m2 g-1）；XPS測試出催化劑中N和Fe的含量分別為2.59%和0.875%。Fe-NTP/C-900在堿性介質中表現(xiàn)出了突出的ORR催化性能，其起始電位為0.051V(vs.Ag/