電紡法制備一維碳基過(guò)渡金屬氧還原催化劑及其性能研究.pdf

1、鉑基貴金屬催化劑是目前最常用的燃料電池陰極催化劑，其高昂的生產(chǎn)成本和有限的使用壽命嚴(yán)重制約著燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程。以過(guò)渡金屬和新型碳材料為代表的非貴金屬催化劑被視為鉑基催化劑的最佳潛在替代品之一，但是復(fù)雜的制備工藝和較低的催化活性位點(diǎn)利用率大大削弱了該類催化劑的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致材料的催化活性和穩(wěn)定性難以滿足實(shí)際需求。本論文以靜電紡絲技術(shù)為基本實(shí)驗(yàn)方法，利用不同聚合物體系制得了結(jié)構(gòu)多樣的一維碳基材料，并引入了過(guò)渡金屬作為催化活性位點(diǎn)，深入研究了

2、催化劑的結(jié)構(gòu)和組成與電催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系。
　?。?）實(shí)驗(yàn)一通過(guò)電紡不同的共混聚合物體系構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)多樣的碳納米纖維材料，并研究了PAN、PAN/PVP和PAN/PMMA體系與纖維形貌之間的關(guān)系。結(jié)果表明，具有高度開(kāi)放結(jié)構(gòu)和較大比表面積的多管道碳納米纖維 CNF-3具有較好的催化活性和電流效率，其極限電流密度為4.06 mA/cm2，電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.44。通過(guò)揭示靜電紡絲技術(shù)構(gòu)筑結(jié)構(gòu)多樣一維碳納米纖維的機(jī)理，明確了前軀體組成對(duì)結(jié)

3、構(gòu)的影響，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了良好的參考模板。
　?。?）實(shí)驗(yàn)二將Co(acac)2引入PAN/PVP電紡體系，產(chǎn)生相分離的前軀體，并制備了鈷摻雜海綿狀碳納米纖維Co3O4-SCNFs，并研究了鈷載量對(duì)于催化劑性能的影響。疏松多孔的Co3O4-SCNFs具有開(kāi)放的海綿狀結(jié)構(gòu)，增大了尖晶石型Co3O4納米顆粒與O2的接觸區(qū)域，顯著提升了催化活性位點(diǎn)的利用率，并提供了更多物質(zhì)傳輸擴(kuò)散的通道。在最優(yōu)條件下， Co3O4-SCNFs的極限電流

4、密度達(dá)到5.89 mA/cm2，電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.49，獲得了接近商業(yè)Pt/C催化劑的催化活性。
　?。?）實(shí)驗(yàn)三結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，利用同軸電紡法制備了鈷摻雜的中空碳納米纖維Co3O4-HCNFs。除去核層物質(zhì)PS后得到的空心結(jié)構(gòu)提升了一維碳基材料內(nèi)部空間的利用率，位于殼層的Co3O4納米顆粒在內(nèi)外壁皆可與O2充分接觸，增大了催化反應(yīng)接觸面積，同時(shí)中空結(jié)構(gòu)可以作為反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物傳輸?shù)耐ǖ?，保證了反應(yīng)的順利進(jìn)行。Co3O4-HCNF