摘要
作为一种高效、环保的新能源技术，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)被广泛应用于交通运输和便携式移动电源等领域，限制PEMFCs效率的关键是氧还原反应(ORR)过程。目前广泛使用的Pt基贵金属催化剂具有成本高、易中毒和稳定性差等缺点。因此，开发高性能和高稳定性的催化剂一直是PEMFCs技术商业化应用的关键问题。为了解决上述问题，本论文深入研究了ZIF-8衍生铁/钴基氮掺杂碳催化剂，制备了Fex@Co-N-C催化剂和Cox-Fe-N-C催化剂。 为了提高Co-N-C催化剂的活性，在制备Co-N-C催化剂的过程中引入第二种过渡金属Fe。首先制备ZnCo-双金属MOF，可以通过2-甲基咪唑、硝酸钴和硝酸锌反应获得，因为二茂铁分子尺寸和ZnCo-MOF空腔尺寸比较适配，所以选择二茂铁(Fc)作为铁源，在反应液中溶解可以在ZnCo-MOF生长过程中将Fc原位封装进ZnCo-MOF的空腔内，从而获得独特结构Fc@ZnCo-MOF前驱体。随后，经过热处理制备出Fe掺杂的Co-N-C催化剂(Fe@Co-N-C)。ZnCo-MOF独特的纳米限域作用可以使Fc高度分散在Fc@ZnCo-MOF前驱体中，在经过高温煅烧处理后，Fe原子可以形成单分散的Fe-N-C活性中心，而不是团聚成Fe颗粒。此外，Zn原子在高温下的挥发具有造孔和缺陷作用，使得Fc@ZnCo-MOF前驱体在热处理后可以获得多孔碳材料。这种材料具备高比表面积的特点，有利于暴露出更多的Fe/Co反应活性位点，同时还能提高ORR过程中间物的传质作用，可以很好地提高催化剂活性。因此，Fe掺杂的Fe@Co-N-C催化剂具有优异的ORR活性，在0.1MHClO4溶液中催化ORR的半波电位达到0.791V，比未掺杂的Co-N-C催化剂高12mV。 为了提高Fe-N-C催化剂的稳定性，在制备Fe-N-C催化剂的过程中引入第二种过渡金属Co。首先制备Fc@ZIF-8，可以通过2-甲基咪唑、硝酸锌和二茂铁反应获得，在反应液中溶解可以获得Fc@ZIF-8前驱体，在制备过程中引入硝酸钴可以获得Co掺杂的Fe-N-C催化剂。引入Co后，通过实验发现Co2.5-Fe-N-C催化剂和Fe-N-C催化剂的ORR活性相当，具有更好的稳定性，循环20000次后，其半波电位和电流密度仅下降19mV和21%。
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