聚卟啉修饰电极催化氧还原反应的研究

摘要

日益严重的能源问题，使人们意识到寻找一种高效、清洁的新能源迫在眉睫。燃料电池作为一种绿色新能源，受到了广泛关注，在诸多学者的努力下，取得了突飞猛进的发展。铂作为燃料电池氧还原反应最好的催化剂，由于其属于贵金属地球上储量非常少价格居高不下，同时容易发生一氧化碳中毒导致催化剂活性降低，这些缺陷使得铂催化剂的应用收到了很大的限制。因此，寻找高效价廉的催化剂成为研究的热点。卟啉类化合物对ORR反应具有良好的催化活性，其具有高度共轭的空间结构和化学稳定性，当卟啉与金属离子形成活性位点能够提高催化活性，可有效促进H2O2分解，使电池的工作电压提高，增加放电容量。近期研究发现低聚物的金属卟啉能够催化氧还原按四电子反应历程进行，成为氧还原催化剂的研究热点。本论文以四苯基钴卟啉为原料，通过电聚合制备聚卟啉研究其催化活性，以期寻求高效非铂催化剂。
　　首先是金属卟啉配合物的制备与表征，采用Alder法合成了四苯基卟啉（TPP），并配位钴离子得四苯基钴卟啉（CoTPP）,利用紫外可见(UV-Vis)光谱法对上述两种物质进行表征，用循环伏安法测试其电化学性质，实验结果表明所合成物质为目标产物。其次是电聚合法制备pCoTPP金电极及制备工艺的研究，利用循环伏安法（CV）将CoTPP聚合在金电极表面，研究聚合电位、聚合圈数和电极基底对电聚合的影响，优化聚合条件。利用电子显微镜（SEM）对聚合膜层的形貌进行了观察，电极表面形成了二维片状结构的物质，此物质为pCoTPP。通过UV-Vis光谱也证实了电极表面所形成的聚合薄膜为pCoTPP，相对单体CoTPP，pCoTPP的Soret带发生红移、吸收峰变宽。最后是pCoTPP修饰电极在酸性介质中催化性能及其电化学行为研究，结果表明通过电化学方法将单体卟啉聚合而成卟啉聚合物后催化氧分子还原电位变正；通过对催化剂伏安特性的研究，结果表明卟啉聚合物催化过程是受到扩散过程控制的；将修饰电极在氧气饱和的0.5mol/L H2SO4溶液中进行稳定性能的测试，结果表明该修饰电极具有较高的稳定性能；最后研究溶液中pH和还原峰电位的关系，研究表明参加氧还原反应的电子数和质子数相等；在碱性环境中pCoTPP修饰金电极对氧气具有催化性能。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 燃料电池

1.3 燃料电池阴极催化剂

1.4 金属卟啉修饰电极催化氧还原研究进展

1.5 课题的研究意义和研究内容

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

2.2 金电极的预处理

2.3 卟啉化合物的合成

2.4 聚卟啉修饰金电极的制备

2.5 聚卟啉的表征

2.6 ORR催化性能测试

3 结果与讨论

3.1 pCoTPP修饰金电极的制备

3.2 pCoTPP薄膜的表征

3.3 pCoTPP薄膜ORR催化性能测试

3.4 pCoTPP在碱性介质中催化性能比较

4 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

致谢

参考文献

附录 A 作者在攻读学位期间发表的论文目录