1、燃料電池因能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、安靜等諸多優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為最有應(yīng)用前景的綠色氫能轉(zhuǎn)化裝置。Pt基催化劑是目前性能最優(yōu)異的氧氣還原(ORR)電催化劑，但是Pt金屬昂貴且易中毒等致命缺點(diǎn)直接阻礙了燃料電池的商業(yè)化發(fā)展，因此開(kāi)發(fā)新型高效非貴金屬陰極電催化劑是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　在非貴金屬陰極電催化劑中，過(guò)渡金屬-氮-碳（M-N-C）復(fù)合物因其低成本、高活性和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)已引起國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。該類(lèi)催化劑通常由含氮前驅(qū)體在一

2、定的氣氛中煅燒所制得，其催化活性與其前驅(qū)體化學(xué)組成、煅燒溫度以及氣氛等要素息息相關(guān)，但是目前科研界對(duì)其催化機(jī)理尚存較大爭(zhēng)論。因此，以高效ORR電催化為功能導(dǎo)向，開(kāi)展新型高活性氮摻雜金屬碳催化材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可控制備研究，對(duì)燃料電池的商業(yè)化發(fā)展具有重要意義。
　　本論文以葡萄糖為碳源，無(wú)機(jī)鈷鹽為鈷源，分別以含氮有機(jī)小分子乙二胺四乙酸(EDTA)和三聚氰胺為氮源，并詳細(xì)優(yōu)化熱解溫度和金屬負(fù)載量，經(jīng)一步熱解法可控制備得到兩類(lèi)鈷基氮摻雜介

3、孔碳材料。通過(guò)對(duì)樣品化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、形貌以及ORR電催化性能等進(jìn)行詳細(xì)表征和分析，系統(tǒng)探討熱解溫度、金屬含量、氮源和碳載體等因素對(duì)其電催化性能的影響規(guī)律，以期揭示催化劑結(jié)構(gòu)與電催化性能之間的構(gòu)-效關(guān)系和不同組分之間的協(xié)同效應(yīng)，為新型高效非貴金屬電催化材料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)和奠定基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)分別以葡萄糖(glucose)、硝酸鈷和EDTA為碳源、鈷源和氮源，先利用EDTA的強(qiáng)螯合作用得到Co-E

4、DTA/glucose前驅(qū)體，再在惰性氣氛條件下經(jīng)一步熱解可控制備得到系列鈷基氮摻雜雙功能氧電極催化劑C-T（T=500、600、700、800和900℃，熱解溫度），主要考察了熱解溫度、氮物種等對(duì)其ORR和OER性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，熱解溫度為600℃時(shí)，所制得催化劑C-600中Co和N元素分布均勻，含氮量最高（約為9.79at％），比表面高達(dá)423m2g-1，而且缺陷位最多(ID/IG=1.93);相比較，C-600在KOH

5、電解質(zhì)中表現(xiàn)出最優(yōu)的ORR和OER雙功能電催化性能，如該催化劑在1600rpm時(shí)ORR起始電壓、半波電位和極限電流密度分別為0.87V，0.76V和5.6mA cm-2，接近商業(yè)Pt/C催化劑，其OER在10mA cm-2的過(guò)電位為390mV，接近商業(yè)IrO2/C催化劑。
　　(2)以葡萄糖水熱制備的納米碳球?yàn)檩d體，以乙酸鈷為鈷源，以及以十二烷基磺酸鈉(SDS)為形貌控制劑，先通過(guò)共沉淀法得到負(fù)載鈷碳球前驅(qū)體，然后在前驅(qū)體與三聚氰

6、胺均勻混和基礎(chǔ)上，再經(jīng)一步熱解可控制備鈷基氮摻雜碳納米管/碳球復(fù)合材料CNCo-x(x=10mCo/mCSs，質(zhì)量比)，考察了不同金屬負(fù)載量、酸刻蝕和氮物種對(duì)CNCo-x催化劑ORR性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，當(dāng)mCo/mCSs=0.3（樣品CNCo-3）時(shí)，樣品含氮量最高(10.03at％)，比表面積高達(dá)550m2g-1以及缺陷位最多(ID/IG=1.85);微量鈷的摻入大幅度提高催化劑ORR活性，其最優(yōu)值為mCo/mCSs=0.3