质子交换膜燃料电池阴极过渡金属复合型氧还原催化剂的制备研究

摘要

对于PEMFC阴极催化剂，目前性能最好、研究最多的仍是Pt基催化剂，但由于Pt等贵金属成本过高、资源有限，阻碍了PEMFC的商业化。因此，价格低廉的非贵金属催化剂成为长远选择。过渡金属复合型氧还原催化剂在酸性环境下具有高活性和高选择性，近几年来成为研究的热点。
　　 (1)本文以2，6-二氨基嘌呤(Hdap)为配体合成了Fe-Hdap/C氧还原催化剂，并优化了热处理温度和Fe含量。利用XRD对催化剂成分和结构进行了表征。采用热重分析了有机配体Hdap在热处理过程中随温度的变化情况。采用TEM和XPS分析了Fe-Hdap/C催化剂的形貌和组分。通过循环伏安法和线性扫描伏安法测试了催化剂的氧还原催化性能，研究了配体对Fe-Hdap/C催化剂性能的影响。结果表明，热处理温度为800℃、Fe含量为5％时催化剂活性最高。热处理温度或Fe含量过高，均会导致Fe3O4的生成，从而降低催化剂的氧还原活性。不同结构配体制得催化剂的氧还原活性研究表明，采用含吡啶N高的配体有利于提高催化剂的活性，配体中含S元素会增加催化剂的活性。本文中制备的Fe-Hdap/C催化剂在电化学动力学控制电压区域内具有较好的稳定性，但性能衰退机理有待进一步研究。
　　 (2)本文将配体三吡啶基三嗪(TPTZ)和石墨混合后进行球磨，将球磨后的样品用浸渍法制备出过渡金属复合型氧还原催化剂。利用FT-IR和BET分析了TPTZ和石墨混合样在球磨过程中结构、表面状态以及比表面积的变化，并利用TEM和XPS对球磨12h样进行了形貌和组分分析。通过线性扫描伏安法测试了催化剂的氧还原催化性能，并研究了碳载中掺杂不同含量的石墨对G2-BM催化剂性能的影响。结果表明，石墨和TPTZ在球磨过程中没有被氧化，结构也未破坏，TPTZ结构中的N原子并没有掺入石墨晶格中形成石墨N活性点。随着球磨时间的增加球磨样的比表面积先减小后增加，在0-3h内比表面积急速下降。球磨时间为12h时，G1-BM催化剂氧还原性能最好。当石墨含量为总碳载质量的10％时，G2-BM催化剂催化性能最佳，载体电导性或比表面积下降都会降低其催化性能。