碳基单原子催化剂的制备及电催化性能研究
质子交换膜燃料电池(PEMFC)和染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为清洁能源转换和储存装置，能高效的将化学能和太阳能转换为电能，且制备工艺简单、环境友好等优点，引起了新能源领域的广泛关注，并被认为是解决严重的环境污染和能源危机的有效途径。然而，制约上述两类电池在能源领域实际应用的关键问题是它们的阴极氧还原反应(ORR)和碘还原反应(IRR)使用的催化剂的稳定性和成本问题。Pt基催化剂虽然在ORR和IRR中表现出极为优异的催化活性，但其高昂的价格、较低的丰度、不太突出的稳定性能，限制PEMFC和DSSCs的大规模使用。传统的非贵金属碳基催化剂尽管具有不错的电催化活性，但其较低的原子使用率及在苛刻的化学环境中稳定性骤降等问题，依然阻碍电池的实际应用。近年来，碳基单原子催化剂凭借其最大的原子利用率、高活性、高稳定性能及优异的导电性能被公认是实现PECFC和DSSCs大规模使用的最有潜力的催化材料之一。 目前为止，已有多种合成策略被证明是合成碳基单原子催化剂的有效方法，尤其是高温热解法被广泛的应用。然而，金属原子高温易迁移、易聚结导致了单原子催化剂的载量较低。同时，一些杂原子前驱体高温易分解使得催化剂具有较低的收率。这些极大的阻碍了单原子催化剂的大规模制备，限制了其在电催化领域的应用。熔融盐，作为强极性溶剂，可以有效的抑制金属原子的团聚，很好的溶解前驱体，提高催化剂的产率。因此，本文旨通过熔融盐辅助热解法合成高稳定性能、高担载量、优异电催化性能的碳基单原子催化剂，并将其应用于PEMFC和DSSCs中，期望实现这两类电池的实用性能。 首先，利用KCl和ZnCl2作为熔融盐体系，根据此盐体系的相图和小分子前驱体溴化1-丁基-3-甲基咪唑([Bminm]Br)的热解特点，筛选出摩尔比例0.44：0.66的KCl和ZnCl2盐体系能促使[Bminm]Br高温热解成多孔石墨化碳材料。以此为据，通过熔融盐高温热解[Bminm]Br和FeCl3，成功制备出了1.71%Fe-N/C-SAC。将此SAC催化酸碱介质中的ORR，其表现出可与Pt/C相比的电催化活性和电化学稳定性能，同时具有良好的抗甲醇性能。此外，经历48h85℃高氯酸溶液热处理后，1.71%Fe-N/C-SAC在酸碱性介质中的ORR活性依然很好，表明其具有优异的化学稳定性能。一系列表征得出1.71%Fe-N/C-SAC优异的ORR性能得益于其多孔、大比表面积的碳基地，这使得Fe活性位点完全暴露与反应体系，促进了反应中间物质的传递及反应的快速进行。同时Fe-N4被牢固的锚定在碳骨架中，这提高了SAC的耐腐蚀性能，因此其在酸性ORR表现出了非常优异的稳定性。 通过在以KCl和NaCl的熔融盐体系中，高温热解Co-MOF-74、Na2S2O3和葡萄糖成功制备了S掺杂碳载单原子Co催化剂(Co-S/C-SAC)。ICP测试结果显示此SAC的担载量为7.35wt%。形貌和孔径结构表征结果显示此Co-S/C-SAC具有7.50nm的较大孔径的薄片状结构。球差矫正电镜及XAS表征显示高密度的单原子Co以Co-S4结构镶嵌在碳骨架中。较高的活性位点、较大孔的片状结构、稳定的Co-S4结构使得由Co-S/C-SAC制备得到的对电极材料和DSSCs具有可与热解Pt相比的IRR活性，8.18%的光电转换效率，及优异的稳定性能。
染料敏化太阳能电池;碘还原反应;熔融盐热解策略;碳基单原子催化剂;氧还原反应
大连理工大学
硕士
物理化学
郝策;史彦涛
2020
中文
TM911.4;O643.36
2020-12-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）