论文部分内容阅读
燃料电池是一类将化学能直接转化为电能的电化学能源设备,具有较高的能量转换效率和能量密度高、且环境友好等优点,因而被认为是理想的电化学反应装置。近年来质子交换膜燃料电池因操作温度较低、能量转换率较高,日益受到关注和研究。Pt基材料是高效的电催化材料,但存在Pt价格较高、自然界中储量有限等问题,导致燃料电池的成本较高,从而限制了燃料电池的广泛应用。研发非Pt贵金属、催化活性和稳定性相对较高的氧还原反应(ORR)催化剂是实现质子交换膜燃料电池规模化实际应用的关键。与催化高效但价格昂贵、储存资源含量较少的Pt基催化剂相比,低成本和储藏量丰富的过渡金属/碳和过渡金属氧化物/碳近来成为非Pt基催化剂的研究热点。层状复合金属氢氧化物(Layered double hydroxides, LDHs)作为一类重要的多功能层状材料,近年来在催化、电化学等诸多领域的研究和应用发展迅猛。通过热分解过渡金属类LDHs前体,可得到尖晶石/金属氧化物、负载的金属颗粒等复合材料。在本文中,我们通过热分解水滑石前体,制备出不含贵金属Pt的Co/CoO/CoFe2O4石墨烯和Co/N-CNT两种纳米复合物。这两种电催化剂均表现出与商业化的Pt/C催化剂相媲美的催化活性和稳定性。本论文主要内容和创新点如下：(1)采用成核晶化隔离(SNAS)步骤的方法,宏量制备出石墨烯/CoFe-LDH (G/CoFe-LDH)前驱体,于氮气气氛条件下热处理后得到最终产物Co/CoO/CoFe204/G多元复合纳米电催化剂。该复合电催化剂的氧还原反应为四电子传递过程用,且与商业Pt/C电催化剂相比,表现出可媲美的电催化活性和经20,000次循环后优异的稳定性能。(2)为提高电催化活性,以SNAS方法宏量制备的CoAl-LDH为前驱体,选用氮含量不同的有机化合物与CoAl-LDH进行简易物理混合,于氮气气氛条件下热处理得到具有不同氮掺杂量的Co/N-CNT-1和Co/N-CNT-2。此方法简易高效,且可批量化制备出含氮量可调的CNT纳米结构。这两种催化剂在碱性溶液中都表现出优异的催化活性。含氮量高Co/N-CNT-1的催化活性较好,主要原因为具有较多的电催化活性位点。Co-N-CNT-1催化剂的氧还原反应为四电子传递过程,与Pt/C电催化剂相比表现出比较高稳定性。