论文部分内容阅读
燃料电池是一种应用前景广阔的新能源转换装置,具有结构简单、低污染、能量密度高等优点。目前燃料电池常用的阴极催化剂是Pt基催化剂,但Pt基催化剂成本高且易被甲醇和CO毒化而失活。N掺杂及N/P共掺杂碳材料因其优异的氧还原反应（ORR）催化活性、低成本以及良好的抗甲醇和CO毒化能力,被认为是最有希望替代Pt的不含金属（metal-free）的ORR催化剂之一。本论文以有机多孔聚合物聚（三聚氰胺-醛）为前驱体,经直接热解制备了N掺杂碳（N/C）和N/P共掺杂碳（N-P/C）三种电催化剂,并系统研究了它们的ORR催化性能。论文主要工作内容包括以下两方面:（1）PMDP和PMTP基氮掺杂多孔碳材料的制备及其ORR催化性能研究。本章先分别将2,6-二甲酰基对甲基苯酚和1,3,5-三甲酰基间苯三酚与三聚氰胺在DMSO中缩聚,合成出聚（三聚氰胺–2,6-二甲酰基对甲基苯酚）（PMDP）和聚（三聚氰胺–1,3,5-三甲酰基间苯三酚）（PMTP）两种有机多孔聚合物。BET测试结果表明,PMDP和PMTP的比表面积、总孔容和孔径分别为671和302 m2g-1、2.10和2.16cm3g-1以及13和20 nm。而后将两种有机多孔聚合物直接热解,制备出N掺杂碳N/CPMDP和N/CPMTP两种催化剂。BET测试结果表明,催化剂N/CPMDP和N/CPMTP的比表面积和总孔容分别为833和464 m2g-1以及1.57和2.31 cm3 g-1;XPS测试结果表明,催化剂N/CPMDP和N/CPMTP的N含量分别为4.03和2.68 at.%。在碱性电解质中,催化剂N/CPMDP和N/CPMTP催化ORR的起始电位、半波电位和极限电流密度分别为0.007和0.002 V（vs.Ag/AgCl）、-0.10和-0.11 V（vs.Ag/AgCl）以及6.98和5.86 mA cm-2,二者的ORR催化活性均优于商业Pt/C催化剂。（2）PMHP基氮磷掺杂多孔碳材料的制备及其ORR催化性能研究。采用上章同样的方法先合成有机多孔聚合物聚（三聚氰胺-六醛基环三磷腈）（PMHP）,再经高温热解制备得到N/P共掺杂碳（N-P/C）催化剂。BET测试结果表明,N-P/C催化剂的比表面积和总孔容分别为658 m2g-1和1.48 cm3 g-1;XPS测试结果表明,催化剂N-P/C的N、P含量分别为5.57和1.32 at.%。在碱性电解质中,催化剂N-P/C催化ORR的起始电位、半波电位和极限电流密度分别为0.017 V（vs.Ag/AgCl）、-0.10 V（vs.Ag/AgCl）和6.57 mA cm-2,其ORR催化活性略优于商业Pt/C催化剂。