基于MOF化合物可控制備氧氣還原電催化材料及其性能研究.pdf

1、燃料電池因工作環(huán)境友好、理論壽命長、效率高等優(yōu)點(diǎn)，作為一種氫能有效應(yīng)用方式而被廣泛關(guān)注。然而，燃料電池的陰極氧氣還原反應(yīng)效率低且反應(yīng)慢，須使用高活性和高選擇性催化劑以加快反應(yīng)進(jìn)程。Pt基催化劑是目前性能最好的陰極催化劑，但因Pt金屬地殼儲量稀少而且價格昂貴，燃料電池推廣受到了極大的阻礙。開發(fā)高性能、低成本氧氣還原陰極電催化材料是推動燃料電池及其技術(shù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題。金屬有機(jī)骨架材料(Metal-organic frameworks

2、，MOF)是一種由過渡金屬原子團(tuán)簇與含多齒羧酸有機(jī)配體（以含羧基有機(jī)陰離子配體為主）之間共價鍵或者離子-共價鍵配位作用自組裝而形成的多孔材料。MOF不僅具有傳統(tǒng)沸石類材料的優(yōu)良孔結(jié)構(gòu)和高比表面積，而且擁有多樣性結(jié)構(gòu)以及多種不飽和金屬活性位點(diǎn)等特點(diǎn)，是一類潛在應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)模板材料。本文以不同氮源制備的含鈷MOF為模板，經(jīng)過熱處理刻蝕處理合成制備了Co/N-CNT及Co-N-C兩種高分散非貴金屬陰極氧氣還原電催化材料。探究不同氮源、熱處理

3、溫度及表面活性劑添加量等對于電催化材料結(jié)構(gòu)、形貌和性能的影響。采用多種分析測試手段對樣品晶體結(jié)構(gòu)、形貌、孔結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)表征，并測試其在堿性電解質(zhì)中氧氣還原電催化性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以三聚氰胺為氮源，通過溶劑熱法制備含鈷MOF前驅(qū)體(Co-MOF)，對其在不同溫度下進(jìn)行熱處理刻蝕處理得到氮摻雜碳納米管負(fù)載鈷基電催化材料(Co/N-CNT)。在800℃熱處理條件下制備得到了Co/N-CNT-800碳納米管電催化劑，其尺

4、寸均勻、比表面積大，平均長度約為500 nm，直徑約為40 nm，比表面積高達(dá)138.87 m2·g-1，含氮量為3.43％。該樣品的氧氣還原電催化性能最好，起始電位為0.89 V vs.RHE;1600 rpm轉(zhuǎn)速下半波電位為0.81 V vs.RHE，極限電流密度為-3.84mA·cm-2;經(jīng)24000 s測試后，穩(wěn)定性比20％ Pt/C高25.66％。⑵以六次甲基四胺為氮源，通過溶劑熱法制備了含鈷MOF前驅(qū)體(Co-MOF)，并以

5、十二烷基磺酸鈉(SDS)為氮流失抑制劑，通過800℃熱處理刻蝕處理得到氮摻雜鈷基多孔碳材料(Co-N-C)?？疾毂砻婊钚詣┨砑恿繉o-N-C形貌與電催化性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著添加量的不同，所得產(chǎn)物的比表面積有明顯差異，而且產(chǎn)物中氮含量也有較大區(qū)別，說明表面活性劑對氮的流失有抑制作用。表面活性劑添加量為2倍制備得到的Co-N-C-3樣品形貌最規(guī)整，比表面積高達(dá)128.14m2·g-1且其含氮量為4.92％。同時，該樣品具有最佳氧