生物質(zhì)基炭材料作為氧還原催化劑的制備和性能研究.pdf

1、能源轉(zhuǎn)化過程（如氧還原及氧析出）中應(yīng)用的催化劑對(duì)轉(zhuǎn)化效率的高低以及相關(guān)應(yīng)用的推廣具有決定性的作用。以氧還原為代表，現(xiàn)有的商用催化劑(Pt)成本高、易中毒、不穩(wěn)定，限制了燃料電池的大規(guī)模推廣，因此開發(fā)低成本、穩(wěn)定、高效的催化劑一直是領(lǐng)域內(nèi)的重點(diǎn)問題。良好的催化劑需要有效的活性位點(diǎn)、良好的傳質(zhì)途徑以及高效的電子傳導(dǎo)。生物質(zhì)材料天然含有多種具備催化活性的金屬和雜原子，是優(yōu)良的炭基催化劑前驅(qū)體。本課題選擇了兩種代表性的生物質(zhì):微晶纖維素以及廢棄

2、蘑菇菌棒作為主要前驅(qū)體，充分利用其天然的結(jié)構(gòu)組成優(yōu)勢，以退火熱解為主要制備方法，成功的設(shè)計(jì)、制備、優(yōu)化了兩種生物質(zhì)衍生摻雜類炭材料，并對(duì)它們的電催化性能(ORR、OER)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。同時(shí)，利用多種表征手段，成功的對(duì)復(fù)雜生物質(zhì)基體的催化活性位點(diǎn)進(jìn)行了分析。
　　微晶纖維素和廢棄菌棒衍生的炭材料表現(xiàn)出了優(yōu)良的電催化性能。具體來講:1）基于微晶纖維素、吡咯和FeCl3的Fe-N-C催化劑(NCPY)在堿性條件下起始電位達(dá)0.84V

3、，最高電流密度4mA cm-2，起始電位超過了兩電子ORR的商用炭黑材料，接近同條件下四電子ORR的商用Pt/C材料。此外，NCPY在酸性及堿性條件下還表現(xiàn)出了部分OER催化性能，表現(xiàn)出了雙效催化劑的應(yīng)用前景2）對(duì)于基于廢棄生物質(zhì)蘑菇菌棒原位合成的多非貴金屬摻雜的炭催化劑(FRC)，材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的H2O2電催化活性(兩電子ORR)。H2O2選擇性最高達(dá)98％，并在很寬的電勢范圍內(nèi)（-0.7V～-0.3V）都保持在91％以上，環(huán)電流密

4、度最高達(dá)0.45mA cm-2(-0.5V)。材料的選擇性數(shù)值超過了包括商用炭黑在內(nèi)的幾乎現(xiàn)有全部同類型的催化劑（堿性條件下），使其成為極具潛力的過氧化氫電合成催化劑。兩種材料優(yōu)良的催化活性主要來源于成功摻雜的雜原子和金屬原子，此外，生物質(zhì)衍生炭材料的3D結(jié)構(gòu)以及表面含有的大量含氧官能團(tuán)也有利于催化性能的提升。
　　兩組基于純生物質(zhì)和廢棄生物質(zhì)的研究為氧還原應(yīng)用的實(shí)際過程提供了低成本的高潛力材料，為開發(fā)有效的ORR催化劑提供了新途