新型聚合物基碳材料及其氧還原性能研究.pdf

1、緩慢的氧還原反應(yīng)阻礙了燃料電池，金屬-空電池等綠色能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存裝置的大規(guī)模應(yīng)用。高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的氧還原催化劑材料是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。過(guò)渡金屬氮摻雜碳材料(M-N-C)被認(rèn)為是最有希望的傳統(tǒng)貴金屬氧還原催化劑的替代者。雖經(jīng)近幾年的快速發(fā)展，但在催化活性和穩(wěn)定性方面仍然與貴金屬催化劑存在很大的差距，尤其是在酸性介質(zhì)中。另一方面，M-N-C具體的氧還原催化機(jī)理仍存在爭(zhēng)議。目前廣泛認(rèn)同的活性位點(diǎn)包括:M-N-C，M-Nx，MNx和MCx等

2、，活性位點(diǎn)的種類(lèi)，密度及其相互作用決定了催化活性的高低，而這些因素都與前驅(qū)體的選擇息息相關(guān)。
　　本論文以2，6二氨基吡啶為前驅(qū)體，設(shè)計(jì)合成了多種含氮聚合物，制備出一系列具有高效氧還原催化活性的氮摻雜碳基非貴金屬以及非金屬氧還原催化劑。研究?jī)?nèi)容主要包括以下三個(gè)方面:
　　(1)以2，6二氨基吡啶和2，6二乙酰基吡啶為前驅(qū)體，通過(guò)分子水平設(shè)計(jì)合成雙亞胺金屬基絡(luò)合聚合物，經(jīng)熱裂解過(guò)程等處理過(guò)程，制備出高效，穩(wěn)定的M-N-C氧還原

3、催化劑材料，該材料具有富含多級(jí)孔自支撐結(jié)構(gòu)并且N，F(xiàn)e的摻雜量高達(dá)4.04wt％和18.4wt％。同時(shí)該材料內(nèi)含有大量的Fe-Nx，以及高度分散的納米/亞納米尺寸的氮化鐵，碳化鐵粒子。該催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原催化活性，尤其在酸性條件下，與商用Pt/C催化劑性能相當(dāng)，并且有更高的穩(wěn)定性。
　　(2)2，6二氨基吡啶為自聚合反應(yīng)單體，分別以氫氧化鐵和Fe3+為金屬前驅(qū)體得到成分能相近，結(jié)構(gòu)不同的兩種催化劑材料:1，高度分散的亞納米尺

4、寸的氮化鐵，碳化鐵粒子修飾的三維多孔結(jié)構(gòu)的氮摻雜碳材料，2，顆粒尺寸為10-50nm的氮化鐵，碳化鐵顆粒修飾的氮摻雜類(lèi)石墨烯材料。并對(duì)兩種催化劑的不同之處進(jìn)行了深入的分析比較。試驗(yàn)證明高度分散的亞納米碳化鐵和碳化鐵對(duì)催化劑的最終還原性能起著關(guān)鍵性作用。
　　(3)2，6二氨基吡啶為聚合反應(yīng)單體，以過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑發(fā)生聚合反應(yīng)，經(jīng)高溫?zé)峤庖徊胶铣傻蚬矒诫s非金屬氧還原催化劑材料，在酸性和堿性介質(zhì)中均表現(xiàn)出優(yōu)良的氧還原活性。