基于类石墨烯材料的高活性和稳定性燃料电池非贵金属氧还原催化剂研究

The mass commercialization of fuel cell especially in electric cars will greatly depend on the supply of platinum which will cause great gap between the supply and demand of platinum. So it becomes a crucial task to study practical non-noble metal catalyst for the fuel cell. The Fe/N/C non-noble metal catalyst for the oxygen reduction reaction has been developed to similar performance with platinum catalysts, however there is still great problem with the stability. This proposal analyzed the key factors affecting the activity and stability of the Fe/N/C catalyst and concluded that both activity and stability are related with the nature of the loading material. This proposal will study the loading material based on the previous study, we will study novel carbon support for the non-noble metal catalyst by loading metal and nitrogen simultaneously, try to increase the amount of micro-holes and increase the graphitization degree of the support material, improve the mass transfer, finally improve the activity and stability of the Fe/N/C catalyst.

燃料电池的大规模商业化特别是在电动汽车方面的应用将造成对贵金属铂的依赖和铂的缺乏，研究发展实用的非贵金属催化剂成为燃料电池商业化的当务之急。Fe/N/C非贵金属催化剂在氧还原反应中的催化性能已经达到和铂系催化剂类似的水平，但是其稳定性还存在严重问题。基于前期工作基础和大量文献调研，本项目总结出影响Fe/N/C催化剂活性和稳定性的关键因素，认为无论是活性还是稳定性上的突破都将依赖于催化剂载体材料的改善。本研究凝练的关键科学问题在于：从载体材料入手研究制备源自新型前驱体的类石墨烯的碳载体，其形貌分别为多孔蜂窝状碳半球和石墨化带/笼；采用一步合成法负载活性金属和氮，增加动态形成的微孔量；提高产品的石墨化程度，改善催化层的传质性能。最终达到提高Fe/N/C催化剂活性和稳定性的目的。

燃料电池电动汽车的大规模应用将导致贵金属的缺乏，故需要寻找非贵金属催化剂。但是，非贵金属催化剂的活性和稳定性相对贵金属催化剂差了很多，远达不到实际应用的要求。本项目的目标是通过改善催化剂载体的结构达到提高非贵金属催化剂活性和稳定性的目的。为此，项目计划从以下方面进行研究。首先是对碳材料的研究，制备含大量微孔的载体材料，且设法在催化活性位形成的过程中形成更多的微孔，目的是形成更多的催化活性位而提高催化剂活性。研究的材料包括具有参差结构的蜂窝状碳半球和类石墨烯的石墨化带/笼，这种参差结构在电极内部形成大小不一的孔，有效形成压差，促进氧气、质子和水的传质，提高Fe/N/C催化剂在膜电极放电的性能。另外是提高载体的石墨化程度，制备类石墨烯的多层石墨化碳载体，使活性位被包覆在多层石墨烯笼内，或者分布在多层石墨烯片上，利用石墨的稳定性特质提高Fe/N/C催化剂的稳定性。通过对催化剂的孔结构、孔隙率、石墨化程度等因素进行调控，研究了非贵金属催化剂性能影响因素，包括氮源，掺氮顺序和酸洗对掺氮碳材料氧还原性能的影响。在燃料电池工作条件下研究了所得催化剂的性能，包括活性和稳定性，总结影响活性和稳定性的因素。影响活性的因素包括活性位的种类，FeN4和吡啶氮是两大类活性位，其载量，所处位置决定了催化剂的活性。单原子的活性位具有更高的活性。影响稳定性的因素包括载体微孔和中孔的比例，载体的石墨化程度，载体形貌等。通过本项目的研究，对燃料电池非贵金属催化剂的活性和稳定性因素进行了深入的探讨，利于指导非贵金属催化剂在燃料电池中的实际应用。