摘要
解决因化石燃料过度使用所引发的全球气候变化和能源短缺等问题的有效方法是发展可再生清洁能源，因此发展与之相关的能源转换与储存技术（如电化学水分解技术和金属-空气电池）近年来成为研究的热点。这些能源转换与储存技术的核心是一系列的电化学反应，如析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）等。目前，贵金属基复合材料如Pt被认为是高效的HER和ORR催化剂，RuO2和IrO2是有效的OER催化剂。由于价格昂贵、稀缺以及不稳定等特点，极大的限制了它们的商业化应用。因此开发高效稳定的非贵金属催化剂在能源转换与储存中发挥着重要的作用。 近年来，过渡金属铁负载的多孔碳催化剂由于独特的结构和优异的催化活性受到了广泛的关注。金属有机框架（MOFs）由于其可设计性以及组成可控等优点常被用作自牺牲前驱体来制备过渡金属铁负载的多孔碳催化剂。与传统制备过渡金属铁负载的多孔碳材料的方法相比，以MOFs为前驱体制备的碳复合材料不仅能够通过定向设计有机配体和金属组分将所需各种元素均匀的分散在碳基质中，而且MOFs前驱体中的金属原子可以转化为金属纳米粒子被限域在碳基质中，可以避免在连续苛刻的反应条件下发生溶解和团聚，使其具有出色的稳定性。基于此，本文以双氰胺基Fe(dca)2pyz（dca:双氰胺、pyz:吡嗪）为前驱体，通过高温煅烧、模板刻蚀以及杂原子掺杂等方法，制备了包含不同铁物种以及不同结构的铁基碳纳米复合材料。通过一系列的表征手段对复合材料的结构和组分进行了分析，并详细研究了所制备的复合材料的电催化反应性能。具体的研究内容如下： （1）在合成Fe(dca)2pyz的过程中加入聚苯乙烯微球为致孔剂，得到具有三维有序大孔结构的3DOM Fe(dca)2pyz。将其作为单一自牺牲前驱体在氮气氛围下煅烧得到了一种具有三维有序大孔结构包覆铁和铁-氮合金纳米粒子的多孔碳复合材料（3DOM Fe/Fe-NA@NC）。实验结果表明，3DOM Fe/Fe-NA@NC-800在0.1M KOH电解液中具有优异的ORR催化活性，半波电位为0.88V，同时也展示出优于Pt/C的稳定性和甲醇耐受性。接着将其作为阴极材料所构成的锌-空气电池的性能进行了研究。 （2）在煅烧Fe(dca)2pyz的过程中加入三苯基膦，通过一步磷化法得到了具有多功能催化活性的氮、磷共掺杂的包覆磷化铁纳米颗粒的多孔碳复合材料（FexP@NPC）。通过XPS以及EDS证明磷原子成功地掺杂入碳基质中。由于磷原子的引入以及磷化铁活性物种的生成，所制备的复合材料具有多功能催化活性。测试结果表明，FexP@NPC-800的催化性能较好，在1M KOH电解液中，电流密度达到10mAcm-2时，其HER和OER过电位分别为218mV和382mV，其ORR半波电位为0.86V。由于优异的氧催化活性，将其作为阴极材料所组装的锌-空气电池进行了研究。
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