吲哚類化合物修飾碳載鈷催化劑對氧還原催化作用的研究.pdf

1、燃料電池由于其能量轉換率高和對環境友好等優點而受到廣泛關注。陰極氧還原反應（ORR)是制約燃料電池發展和推廣的重要因素，傳統的ORR催化劑使用的是碳擔載鉑(Pt/C)，Pt具有優良的ORR催化活性，但是Pt是貴金屬，資源稀少，價格昂貴，限制了燃料電池的產業化發展，因此開發非貴金屬催化劑成為了燃料電池的研究熱點之一。本文研究了吲哚和吲哚羧酸修飾碳載非貴金屬材料作為ORR催化劑，探討其在酸性和堿性介質中的催化機理，測試其電化學性能，并用于燃

2、料電池，對其性能和穩定性進行驗證。
　　本文采用水熱法合成復合催化劑材料M-N/C，并首次采用原位透射電鏡對催化劑熱處理過程中的形貌和結構變化進行分析，采用傅里葉紅外光譜(FT-IR)、X射線粉末衍射儀(XRD)、核磁共振光譜(NMR)、電感耦合等離子體發射光譜(ICP)等分析方法對材料進行分析表征;采用循環伏安法(CV)、旋轉圓盤法（RDE）等對材料的電化學性能進行測試。通過對催化劑材料的結構成分和在不同介質中的電化學性能進行分

3、析，推測影響催化劑活性的關鍵因素。
　　研究表明，吲哚修飾碳載鈷催化劑(Co-indole/BP)和吲哚羧酸（吲哚甲酸:ICA，吲哚乙酸:IAA，吲哚丙酸:IPA，吲哚丁酸:IBA）修飾碳載鈷催化劑都具有良好的ORR催化活性。Co-IAA/BP在酸性和堿性介質中的的催化劑活性明顯高于Co-indole/BP。通過原位透射電鏡檢測到Co-indole/BP和Co-IAA/BP在氬氣環境下熱處理到900℃的過程中(將熱處理后的催化劑分

4、別記作Co-indole/BP(900)和Co-IAA/BP(900))，有Co3O4晶體形成，Co-indole/BP(900)和Co-IAA/BP(900)在酸性和堿性介質中均具有更高的ORR催化活性。此外，Co-IAA/BP(900)的氧還原初始電位、動力學電流密度和反應轉換電子數都明顯高于Co-indole/BP(900)。
　　Co-IAA/BP及Co-indole/BP(900)和Co-IAA/BP(900)催化劑在酸

5、性介質下也具有良好的ORR催化活性，是因為在Co-IAA和Co3O4中的氧原子具有孤對電子，能夠吸引酸性介質中的質子。在酸性介質中，同時含有親電中心（Co3O4中的Co）和親核中心(Co3O4中的O)催化活性中心是其具有良好的ORR催化活性的主要原因。
　　在以上研究成果的基礎上，通過直接甲醇燃料燃料電池(DMFC)和直接硼氫化鈉燃料電池(DBFC)對Co-IAA/BP(900)催化劑進行了實證，在DMFC中，其放電性能比10％