摘要
在资源短缺和传统化石燃料燃烧引起的环境破坏问题日趋严重的当代，开发新型高效的清洁能源存储及转换装置是势在必行的，其中包括锌-空气电池（ZABs）与质子交换膜燃料电池（PEMFCs），二者在经济性、安全性和能量转换效率等方面取得了重大突破。在ZABs与PEMFCs中，其阴极上发生的核心电化学过程均为电催化氧还原反应（ORR）。鉴于该反应存在动力学迟缓、过电位较高的弊端，开展高活性催化剂的找寻工作刻不容缓。铂（Pt）基催化剂具有较低的过电位、出色的氧还原能力及理想的电催化表面等特点，被认作是当前最高效的ORR电催化剂，但是其仍然存在稳定性差、催化活性低、以及商用成本高等一系列问题，因此很难广泛地应用于日常生活中。目前，很多的研究工作致力于改进催化剂载体或者制备金属合金材料来增强Pt基催化剂的ORR性能与稳定性。基于上述当前Pt基催化剂研究过程中存在的核心科学问题及研究现状，本论文把调控Pt基催化剂的电子结构作为出发点，同时把缩小Pt的用量、提升催化性能和稳定性作为研究核心，使用海洋多糖海藻酸钠作前驱体，构建了两种不同的二元Pt基合金纳米颗粒/碳气凝胶催化剂。这对于处理现今全球范围内的资源匮乏和环境破坏问题意义重大。主要内容如下： （1）以海藻酸钠为分散剂，然后利用其可以和多价金属阳离子交联络合的特质，同时实现了海藻酸钠中金属Co2+离子的固定及[PtCl4]2-离子的引入。随后经过简单的冷冻干燥、低温还原和高温掺氮处理，制得铂钴合金纳米颗粒/碳气凝胶催化剂。其中，当Pt/Co摩尔比为1∶5时，制得的样品PtCo/N-r-GO(Pt1Co5)在酸性和碱性介质中均展示出最佳的ORR活性及催化稳定性。具体来说，其在0.5MH2SO4与0.1MKOH电解液中的半波电位能够分别达到0.804和0.930Vvs.RHE，胜于商业Pt/C。此外，在酸性条件下经15h的稳定性测试后，PtCo/N-r-GO(Pt1Co5)仍保持有近九成的催化活性。 （2）用海藻酸钠与r-GO作原料，并经过离子交换实现Fe3+离子的引入，同时又精确调控前驱体溶液中[PtCl4]2-/Fe3+的离子比例，制得了由不同Pt/Fe比例组成的低Pt量PtFe/N-r-GO(PtxFey)碳气凝胶催化剂。其中，在0.5MH2SO4与0.1MKOH电解液中，PtFe/N-r-GO(Pt1Fe5)展示出了最佳的ORR活性（0.807和0.867Vvs.RHE）。此外，其在ZABs的应用方面也具有不错的前景，表现出超高的比容量（840mAhg-1）、峰值功率密度（0.248Wcm-2）以及出色的稳定性，在满足周期性不断更换新配制的电解液与打磨好的锌片的条件下，能够稳定地持续运行最少250h。
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