摘要
燃料电池作为一种电化学能源转化装置，具有高效、便捷、环保等优点，是最具发展潜力的一种能源解决方案，目前正受到广泛的研究和应用。燃料电池阴极氧还原反应(ORR)动力学迟缓，需要高效的催化剂来促进反应进行。Pt基催化剂具有出色的ORR活性，但是受制于Pt资源稀缺、价格高、易毒化等因素，而成为当前燃料电池大规模应用的瓶颈，设计制备以热解型M/N/C催化剂为代表的高性能非贵金属ORR催化剂成为了突破瓶颈的最根本途径。然而目前热解型M/N/C催化剂在催化活性和稳定性仍与铂存在较大差距，并且热解过程中催化剂结构所经历的复杂变化历程也给活性中心结构以及反应机理的研究带来一定困难。因此，在理性设计高性能非贵金属ORR催化剂的研究道路上，还有相当多的科学问题亟待解决。 本论文立足于解决Fe/N/C催化剂在燃料电池应用中所存在的传质、传荷问题，以具有高比表面积、高孔隙率、富N的ZIF8衍生氮掺杂碳，配合高导电碳黑载体为策略，经过高温热解与NH3刻蚀，成功制备了具有高ORR活性和优异燃料电池性能的Fe/N/C催化剂，并通过一系列表征手段对催化剂的结构与组成，以及相关制备因素进行了研究比较。主要研究结果如下: (1)将富N的ZIF8前驱体材料负载到KJ600导电碳黑上，引入FeCl3，在NH3气氛中950℃高温热解，制备了具有薄片状结构的KJ600-FeNC催化剂，其比表面积达到762m2g-1，而外表面积的占比高达82％（为619m2g-1），并存在大量的介孔。 (2)KJ600-FeNC催化剂在酸性介质中具有优异的ORR活性，其半波电位为0.842V，在0.85V下的质量活性可达5.86Ag-1。H2-O2燃料电池测试中在1bar背压下的峰值功率密度为1070mWcm-2，且在0.9V高电位下的电流密度可达32mAcm-2，而在2bar背压下的峰值功率密度可达1270mWcm-2;在H2-Air燃料电池测试条件下，峰值功率密度为586mWcm-2，明显优于现有文献报道的同类催化剂性能。 (3)热解过程中ZIF颗粒炸裂形成薄片状结构是碳黑载体诱导作用、NH3刻蚀以及高温热解共同作用的结果。高温能促进ZIF8熔解开裂，增大比表面积;NH3刻蚀既可以促进ZIF8熔解增大比表面积，还能扩充孔隙，形成大量介孔结构;但碳载体是驱动ZIF8熔解破坏的关键因素。催化剂中的高含量吡啶N，高外表面积和丰富的介孔结构，有利于形成大量暴露的FeNx活性位点，提高了催化剂的本征活性，同时也缓解了在燃料电池大电流区的传质问题，碳黑载体则提高了材料的导电性，从而有效改善了燃料电池中ORR的传质、传荷性能。 (4)通过对XC72、BP2000和KJ300等一系列碳材料做对比，观察到在相同热解条件下制备的催化剂，其结构与组成基本相近，均出现ZIF炸裂后形成的薄片状结构;其中KJ300-FeNC在燃料电池中具有优异的性能，峰值功率密度可突破1.3Wcm-2。本论文的催化剂设计策略具有一定的适用性，可为高性能M/N/C催化剂的设计制备提供一定的指导意义。
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