摘要
为了解决当前人类面临的化石能源短缺和环境恶化问题，设计和开发绿色高效且能够商业化的能源转换装置成为了一种重要的策略。燃料电池作为一种新型的能源转化装置能够绿色高效地将燃料中的化学能转化为电能且不受卡诺效应的限制。氧还原反应（ORR）是燃料电池中的基本反应（阴极），其动力学过程缓慢，需要合适的催化剂加速其反应的速率。因此设计和制备高效的ORR电催化剂用以提升其动力学、进而改善燃料电池性能成为了关键。虽然目前贵金属催化剂如铂、铱、钌等被认为是ORR的有效催化剂，但是高昂的价格以及其稀缺的特性阻碍了贵金属催化剂的推广和商业化，因此设计合成更加低成本、更加稳定和高活性的ORR催化剂意义重大。石墨炔（GDY）作为一种具有独特炔键结构的新型的碳材料，为设计和开发新的ORR催化剂提供了可能。本学位论文首先制备了氮掺杂的GDY（NGDY），然后利用NGDY作为催化剂的载体，制备了铁负载的NGDY催化剂（Fe–NGDY）；还制备了GDY空心球（GDYHS），并使用聚二烯二甲基氯化铵（PDDA）对其表面进行了官能化，达到了PDDA官能化的GDYHS（PDDA–GDYHS）催化剂；研究了Fe–NGDY和PDDA–GDYHS催化剂对ORR的电催化性能，具体内容如下： 1、Fe–NGDY催化剂的制备及其ORR催化性能。首先通过三聚氰胺与GDY热解得到NGDY，随后在NaBH4水溶液中化学还原吸附在NGDY表面上的Fe3+离子，合成了Fe–NGDY催化剂。SEM结果表明该催化剂具有独特的3D分层纳米结构，HRTEM、XRD的结果表明Fe元素均匀的分散在催化剂表面而没有以聚集的颗粒形式存在，Raman、XPS结果表明催化剂保持了GDY的分子结构且含有sp杂化的N元素，Fe元素主要以Fe–N的结构存在的。在碱性条件下利用CV、RDE等电化学方法测试Fe–NGDY催化剂的ORR催化性能，该催化剂显示出优良的催化活性，起始电位约为1.02V（vs.RHE），半波电位约为0.85V，其数值与商业化Pt/C催化剂相当，耐久性试验（ADTs）表明Fe–NGDY催化剂显示出比Pt/C催化剂更好的稳定性，使用Koutecky–Levich公式计算Fe–NGDY的转移电子数n为3.9，表明Fe–NGDY拥有优良的4电子选择性。通过研究表明Fe–NGDY催化剂的活性位点可能是Fe–N结构。本论文以石墨炔为原材料建立了一种以N掺杂GDY为载体合成非贵金属ORR催化剂的方法，为设计和合成非贵金属催化剂提供了新的策略。 2、PDDA–GDYHS催化剂的制备及其ORR的催化性能。使用PDDA在通过模板法合成的GDY球壳表面进行官能化得到PDDA–GDYHS催化剂。TEM和SEM图像表明PDDA–GDYHS保持了原有SiO2的球形结构并且在聚集形态下拥有3D蜂窝状结构。用CV、RDE等电化学方法测试表明PDDA–GDYHS催化剂拥有良好的ORR催化性能，起始电位约为1.0V（vs.RHE），半波电位约为0.84V，其性能与商业化Pt/C催化剂相当，ADTs表明PDDA–GDYHS催化剂显示出良好的稳定性。通过对700–1000℃温度下合成的PDDA–GDYHS催化剂进行电化学测试，结果表明合成温度为800℃时显示出最佳的催化性能。Raman和XPS光谱表征显示出PDDA–GDYHS催化剂保留了GDY的分子结构且催化剂中的炔键结构是催化剂具有高的ORR活性的关键。这有可能是炔键丰富的电子结构与聚电解质上的季铵基团进行有效电荷转移的结果。本论文为非金属催化剂的设计和合成提供了新的方法，为研究石墨炔基催化剂活性来源提供了新思路。
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