摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有能量密度高、工作温度低、无污染等优点受到广泛的关注。然而，质子交换膜燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)动力学电流受限于多步骤电子转移、多物种共同参与的传质过程，特别在高电位下，能耗损失更为严重。目前，商业... 展开 质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有能量密度高、工作温度低、无污染等优点受到广泛的关注。然而，质子交换膜燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)动力学电流受限于多步骤电子转移、多物种共同参与的传质过程，特别在高电位下，能耗损失更为严重。目前，商业上常用的ORR催化剂为Pt/C，但Pt丰度低、成本高，在ORR过程中存在着载体的腐蚀、催化剂颗粒团聚长大等问题，严重阻碍了燃料电池的发展。因此，开发能够满足廉价、电荷快速转移和高效稳定的ORR催化剂刻不容缓。过渡金属钽(Ta)处于元素周期表第六周期，第ⅤB族，外层电子结构排布为5d36s2，这种d轨道排布的电子结构在化学反应中容易失去电子，与中间物种发生s-p杂化形式，表现出优异的ORR活性。本论文采用盐催化溶胶-凝胶法合成了颗粒状Ta3N5/NC催化剂；使用“一锅法-高温热解法”结合的方式成功地制备了“竹节”管状FeTa/NCNT催化剂，并对上述催化剂进行了结构形貌的表征和性能的测试，具体内容如下： （1）选择氯化镁为诱发剂，催化合成以氯化钽、尿素形成的溶胶-凝胶前驱体，经过高温热解、刻蚀、离心等操作，成功制备出Ta3N5/NC催化剂。通过表征测试分析有氯化镁催化时，催化剂以Ta3N5存在，无氯化镁盐催化时，合成了Ta2O5，同时催化剂的形貌、组成结构和性能也存在着较大的差别。电化学测试结果表明Ta3N5/NC催化剂的半波电位可达到0.783V(vsRHE)，接近于商业Pt/C的半波电位，经过2000圈的CV长循环后催化剂的半波电位下降了17mV，经过36000s的i-t测试，电流损失了16.4%；Ta2O5/NC催化剂半波电位只有0.646V(vsRHE)，经过2000圈的长循环后的半波电位下降了33mV。测试结果均表明有MgCl2更容易促进氮化物结构形成，这对盐金属催化有着指导意义。 （2）根据双金属掺杂思想，以氯化钽、氯化铁和三聚氰胺为原料混合制备出前驱体，利用“一锅法-高温热解法”结合的方式成功制备出“竹节”管状复合结构FeTa/NCNT催化剂。通过表征分析出双金属催化剂和单金属催化剂的形态和结构显著不同。电化学测试表明FeTa/NCNT催化剂的半波电位达到0.817V(vsRHE)，活性可与商业Pt/C相媲美。经过2000圈的CV长循环后该催化剂的半波电位仅下降了10mV；经过36000s的i-t测试，电流仅损失了12.6%，经耐甲醇测试后电流仅损失了1.4%，均表明该催化剂具有更高的稳定性和甲醇耐受性。证明了双金属的协同作用有利于催化剂ORR性能的提高。 收起