【摘 要】
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阴极氧气还原反应是燃料电池两电极反应中重要的一环,尽管贵金属铂催化剂拥有良好的催化活性,由于阴极反应动力学缓慢,导致燃料电池对外的输出受到限制,且地球金属铂资源储量稀少致使催化剂的成本高,并导致燃料电池的催化剂占据其成本的很大比例,阻碍了燃料电池的大规模应用。为降低催化剂成本,制备了非铂和低铂两种类型氧还原催化剂。利用Fe掺杂的沸石咪唑酯骨架材料（Zeolitic Imidazolate Fram
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阴极氧气还原反应是燃料电池两电极反应中重要的一环,尽管贵金属铂催化剂拥有良好的催化活性,由于阴极反应动力学缓慢,导致燃料电池对外的输出受到限制,且地球金属铂资源储量稀少致使催化剂的成本高,并导致燃料电池的催化剂占据其成本的很大比例,阻碍了燃料电池的大规模应用。为降低催化剂成本,制备了非铂和低铂两种类型氧还原催化剂。利用Fe掺杂的沸石咪唑酯骨架材料（Zeolitic Imidazolate Frameworks,ZIFs）多孔特性热解产生富孔材料,通过结构改善方案使制备的Fe NC催化剂具备良好的氧还原电催化性能;以ZIF-8衍生发氮掺杂多孔碳为载体,负载铂纳米颗粒,探究不同形貌载体负载铂的影响,随后对这两类催化剂的氧还原性能进行研究。主要研究内容及取得成果如下:ZIF-8作为前驱体通过热解方案制备Fe NC催化剂,采用溶剂热法制得Fe掺杂的ZIF-8前驱体（Fe-ZIF-8）,在前驱体溶液中添加乙酰丙酮铁,以Zn2+为中心节点,2-甲基咪唑为配体的ZIF-8在自组装过程中,含铁小分子被限制在其孔隙内。通过热解得到十二面体的Fe NC催化剂,继承ZIF本身拥有多孔结构而在其表面产生致密的活性位点。将Fe-ZIF-8与不同比例的g-C3N4混合后共热解,利用g-C3N4在高温下的不稳定性对Fe-ZIF-8产生侵蚀作用,可进一步改善材料的孔结构。探究直接热解和分段热解两种不同方案对所衍生催化剂材料结构的影响,同样比例条件下采用分段热解方案可以有效保留Fe-ZIF-8骨架得到独立个体,而不会致使其完全分解。采用X射线衍射,透射电镜,扫描电镜等表征手段考察了催化剂材料的形貌,组成和物相,结果表明Fe在Fe-ZIF-8/g-C3N4混合共热解产物Fe NC中具有良好的分散,并且产生中空的结构。在碱性条件下对Fe NC催化剂材料的氧气还原性能进行探究,性能最佳的Fe NC-0.5起始电位（1.14 V）和半波电位均（0.91 V）优于Pt/C催化剂,通过旋转环盘电极测试电子转移数接近4,过氧化氢产率接近10%,此外对催化剂的稳定性进行评估,在50000秒测试之后电流保持93%,在添加0.1 mol/L的甲醇溶液后,电流基本保持稳定,表现出良好的抗甲醇性能。采用溶剂热法制备ZIF-8,将ZIF-8热解后所得多孔碳作为载体,采用气体（H2+N2）,硼氢化钠和微波乙二醇三种不同的还原方案还原氯铂酸负载到ZIF-8热解衍生的氮掺杂多孔碳载体表面。三种还原方案中,气体还原方案工艺较为复杂,容易产生大的铂纳米颗粒,不利于催化氧还原反应,硼氢化钠和微波乙二醇法两种方案制备的催化剂性能相近,微波乙二醇法更加便捷,选择此方法作为后续研究中氯铂酸还原方案。将ZIF-8与g-C3N4混合共热解,使其衍生多孔碳载体具有更粗燥的表面为铂提供更丰富的锚定位点,利用XRD,扫描电镜分析不同比例g-C3N4在热解过程中的影响,通过微波乙二醇法在不同载体上负载铂,并进行电化学测试催化剂的催化性能,其中g-C3N4与ZIF-8比例为0.125的混合物热解衍生的NC-0.125作为载体,得到的载铂催化剂表现出最佳的性能,半波电位0.85 V,极限电流密度5.70 m A/cm~2,在5000圈电势循环过后,半波电位仅损失3 mV。
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