生物质基非贵金属氧还原电催化剂（Fe-N-C）的设计、制备及性能研究

The expensive prize of Pt electrocatalysts has greatly restricted the large-scale application of the fuel cells. Fe-N-C is generally regarded as the most promising nonprecious metal catalyst for oxygen reduction reaction (ORR) of fuel cell due to its low cost, good catalytic activity, and high alcohol torlerance. However, the catalytic performance of Fe-N-C for ORR is still unsatisfactory. The current project plans to prepared Fe and N codoped biomass-based carbon composite (denoted as Fe-N-C) by using both biomass (such as red date and walnut shell etc.) and graphene/carbon nanotube/polymer as carbon precursors. We intend to improve the catalytic performance of Fe-N-C by using synergistic effects between the biomass-based carbon and other carbon materials. The electrocatalytic performance of Fe-N-C for ORR would be investigated, aiming to establish the fundamental correlationships between the catalytic behavior and composition/structure. The rule and the essence of the synergy would be disclosed to understand the key factors affecting the activity and durability of Fe-N-C. The implementation of the project not only can expand the research field of biomass of Xinjiang, but also can provide theoretical guidance for design and development efficient and durable of nonprecious metal catalysts for ORR.

Pt基催化剂成本高是限制燃料电池大规模应用的重要因素之一。Fe-N-C复合材料因具有成本低、活性高等诸多特点是目前最具发展潜力的非贵金属类燃料电池阴极氧还原反应催化剂，然而，该系列催化剂的催化性能尚不如人意。本项目拟以成本低且对环境友好的生物质（新疆红枣、核桃皮等）与石墨烯、碳纳米管或聚合物等含碳前驱体复合作为共同碳源制备生物质基铁氮双掺杂复合碳材料（Fe-N-C）作为氧还原反应电催化剂，利用生物质碳与其他碳材料之间的协同作用有效提高Fe-N-C 氧还原反应电催化剂的催化性能，深入研究Fe-N-C氧还原催化剂的制备-结构-性能之间的关系，揭示生物质基碳与其他结构碳材料之间协同机制对催化剂结构和性能的影响规律和本质，探索提升Fe-N-C氧还原反应催化剂性能的新途径。本项目的实施不但能拓展新疆生物质资源的研究领域，且可为设计制备高效稳定氧还原电极催化剂提供一定理论依据。

氧还原反应（ORR）是燃料电池，金属空气电池等绿色能源转换与储存技术应用过程中涉及到的关键电化学反应，探索廉价高效的ORR电催化剂对于促进绿色电化学能源的大规模应用具有重要意义，近些年来，Fe-N-C催化剂材料因成本低，ORR性能卓越引起研究者广泛关注。本项目以生物质作为主要的碳前驱体材料，首先系统考察了生物质基N-C及Fe-N-C的制备条件，建立了优化结构的生物质基催化材料的有效制备方法；在此基础上，通过将传统碳纳米材料与生物质基碳材料复合，构筑了不同类型的铁氮共掺杂生物质基复合碳材料，并对其ORR催化性能进行了研究。 通过全面表征分析揭示了不同碳材料之间协同作用机制主要体现在：增强碳材料石墨化程度有效地提高了催化剂导电性；改善碳基催化剂的结构，可获得多级孔道结构以及高比表面积有效促进活性位的充分暴露和传质过程；与此同时，不同碳材料（或金属活性组分）之间，以及碳材料与金属活性组分之间存在的界面耦合作用有利于催化剂多功能催化性能的发挥。总之，通过对获得的系列生物质复合碳基Fe-N-C材料的结构与ORR性能的考察分析，掌握了生物质基碳与其他碳材料之间组合方式及配比、合成方法等对所制备Fe-N-C材料形貌结构的调控规律，建立了生物质基碳和其他碳材料之间相互作用与催化性能间的内在关系，揭示了Fe-N-C材料中碳材料结构变化对催化性能影响的本质，为理性设计和制备碳基高性能ORR电催化剂材料提供了一定的理论指导意义。