氮杂碳纳米结构的合成及其对燃料电池中氧气还原催化作用的研究

• 作 者: 王志坚
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 碳纳米管 无金属催化剂 氧气还原反应 本征催化 碳氮聚合物 燃料电池

氧气在燃料电池中的还原反应是一个动力学慢反应，这导致了燃料电池的效率大大降低。目前应用最广的氧气还原(ORR)催化剂为铂基催化剂，但其价格昂贵和资源有限，易受到CO的毒化及稳定性差，近年人们开发了多种氮杂碳纳米材料，尤其是氮杂碳纳米管，作为ORR催化剂，得到了较理想的结果。不过，目前关于氮原子在碳管形成过程中的作用及碳管的形成机理问题还存在很大的争论，而且在确定催化剂ORR本征活性位的问题上也没有统一的说法。　　
本文针对氮杂碳纳米管的无催化剂合成及形成机理做了部分实验研究和理论探讨，而且结合氮杂碳纳米材料对ORR的催化性能，对确定ORR活性位方面做了相关研究，并开发了一种新型氮杂碳纳米材料作为ORR催化剂，主要内容如下：　　
1．发现在无金属催化剂条件下氮原子对合成氮杂碳纳米管具有促进作用，并通过原位掺杂法以三聚氰胺为前驱体制备出了高纯度、高氮杂量的碳纳米管，并对其进行了详细表征。　　
2．发现氮原子有利于气-固过程中纳米碳材料的石墨化，而且通过捕捉中间体，并结合理论分析，证明在无金属催化剂条件下氮杂碳纳米管的形成遵循“颗粒-线-管”进化机制。　　
3．所合成的氮杂碳纳米管展现了较好的ORR电催化活性，而且这些碳管中没有金属，所得到的实验数据应该是氮杂碳纳米管的本征ORR催化活性，从而证明了在氮杂碳纳米管中，仅仅是碳氮结构就可以起到对ORR的催化作用。　　
4．对比了氮杂与非氮杂碳纳米管的催化效果，发现氮杂碳纳米管的催化性能明显好于非氮杂的碳纳米管，其原因主要是氮原子的杂入，促进了碳纳米管对ORR的催化作用。　　
5．所合成的氮杂碳纳米管催化剂的稳定性、抗CO毒化性及对ORR的选择性都明显优于传统的Pt-C催化剂，结合其较高的催化活性，氮杂碳纳米管可以被看成是一种潜在的替代铂基催化剂的材料。　　
6．以三聚氰胺和三聚氯氰为原料合成出了高比表面积的胶囊状碳氮聚合物，目前报道的类似结构未见如此高的比表面积。并且首次将该聚合物应用在ORR催化方面，发现其还原电流是传统Pt-C催化剂上还原电流的1.5倍。