摘要
在新一代可再生清洁能源技术中，锌-空气电池与燃料电池脱颖而出。而氧还原反应（OxygenReductionReaction,ORR）是制约它们运行性能的关键反应之一。目前，商用ORR催化剂是以铂为主的贵金属基催化剂，而高的催化剂成本严重制约了其大规模应用。因此，开发廉价、高效的非贵金属基催化剂具有重要的学术意义与工程价值。本文以不同的锌金属有机框架为自牺牲模板，构筑了一系列铁、锌基ORR催化剂，并研究了其ORR性能及催化机理，本文主要内容和结论如下： 1.以室温共沉淀法合成的生物金属有机框架-100为自牺牲模板，制备了一系列铁、锌基ORR催化剂。研究表明，铁单原子位点与铁纳米颗粒共锚定的、原位衍生碳纳米管互联的、氮硫共掺杂的多孔碳颗粒（B-Fe-NSC）展现了优异的ORR催化性能。在0.1MKOH电解质中，B-Fe-NSC的半波电位为0.87V，塔菲尔斜率为48.8mVdec-1，并具备优异的耐久性及甲醇抗性。并且，铁盐浸渍过程不仅使碳基体上的金属活性位点发生相应变化，还可以使其比表面积及孔隙结构皆得到良好改善。 2.为了进一步提升催化性能，将沸石咪唑酯骨架-8作为自牺牲模板，制备了一系列铁、锌基ORR催化剂。研究表明，铁单原子位点与锌单原子位点共锚定的、碳纳米管修饰的、氮硫共掺杂的中空碳多面体（Z8-FeZn-NSC）具备最为优异的ORR催化活性。在0.1MKOH电解质中，Z8-FeZn-NSC具备0.87V的半波电位、44.7mVdec-1的塔菲尔斜率、出色的耐久性及甲醇抗性，这是因为Z8-FeZn-NSC的中空结构有益于活性位点的暴露，而铁、锌原子位点的高负载量为ORR提供了充足的活性位点。 3.在上述研究基础上，通过将MOF前驱体更换为沸石咪唑酯骨架-7，制备了一系列铁、锌基ORR催化剂。研究表明，铁单原子位点与锌单原子位点共锚定的、具有碳纳米管枝节的、氮硫共掺杂的多孔碳板（Z7-FeZn-NSC）表现了杰出的ORR催化性能。在0.1MKOH电解质中，Z7-FeZn-NSC的半波电位为0.875V，塔菲尔斜率为43.6mVdec-1，并具备优异的耐久性及甲醇抗性，其综合催化性能在所制备催化剂中最优，这可归因于铁原子位点与锌原子位点的协同作用、碳纳米管的良好导电性及其发达的孔隙结构。
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