多巴胺为前驱体的多元碳基催化剂设计与氧还原性能研究

Fuel cell is a kind of promising new green energy, the oxygen reduction electric catalyst with high efficiency, long life and low cost of non-noble metal is a very important and active research fields. This project used dopamine as precursor which is environmental protection non-toxic, through molecular design, the construction of carbon based composites as an efficient and stable oxygen reduction catalyst. The relationship and the influence between the chemical composition, microstructure and size of catalyst and electric catalytic properties was studied, the law of cognitive activity sites and microscopic catalytic mechanism is revealed. The study will provide theoretical guidance and technical support for the development of a class novel catalytic materials in a fuel cell with good application prospect.

燃料电池是一种应用前景广阔的新型绿色能源，其中高效、寿命长、成本低的非贵金属氧还原电催化剂是目前非常重要且活跃的一个研究领域。本项目以环保无毒的多巴胺为前驱体，通过分子设计，构筑碳基多元复合材料，采用多种制备方法制备出具有不同结构、形貌和尺寸的负载/无负载杂原子掺杂的碳基复合材料及非贵金属复合碳基材料作为高效稳定的氧还原催化剂。研究催化剂的化学组成、微观形貌与尺寸、表面原子的化学状态等与电催化性能的关系及影响规律，认知活性位点并揭示微观催化机理。为开发一类在燃料电池中具有应用前景的新型催化材料提供理论指导与技术支撑。

高效、寿命长、成本低的非贵金属氧还原电催化剂是目前燃料电池开发中非常重要且活跃的一个研究领域。本项目以环保无毒的多巴胺为前驱体，通过分子设计，构筑碳基多元复合材料，采用不同维度代表性碳材料作为载体，用多种方法制备出具有不同结构、形貌和尺寸的杂原子掺杂的碳基复合材料及非贵金属复合碳基材料作为高效稳定的氧还原催化剂，研究催化剂的化学组成、微观形貌与尺寸、表面原子的化学状态等与电催化性能的关系及影响规律，认知活性位点构成机制并揭示催化机理。.在多壁碳纳米管表面沉积聚多巴胺纳米薄膜，高温热解后得到多种杂原子掺杂的碳纳米管催化剂，通过控制反应条件可调控薄膜厚度和杂原子种类及数量。碳-氮-金属的氧还原催化活性明显优于多壁碳纳米管的催化活性。N、S、F掺杂的碳纳米管催化剂的氧还原电位接近商业化的20 %Pt/C，其氧还原反应为4电子选择性，30000 s内电化学稳定性优于Pt/C 催化剂，此催化剂具有优异的氧还原催化性能。.通过燃烧蜡烛得到的蜡烛灰（CS）是一种球形洋葱碳纳米颗粒，其中存在大量的sp2 杂化的石墨型碳而使其具有较高的导电性。考察了多种处理方法对洋葱碳载体的物理化学性质的影响，采用二氧化碳处理可得到比表面积高达949.9 m2 g-1的洋葱碳并具有最优的导电性。在大比表面的洋葱碳表面一步进行多巴胺和金属配位聚合沉积，高温热解形成氮和金属共同掺杂的碳-氮-金属（C-N-M）结构，考察了N掺杂量、金属种类、金属颗粒尺寸等对复合催化剂氧还原性能的影响。.以改进Hummers法制备了氧化石墨烯，在氧化石墨烯表面沉积聚多巴胺进行插层修饰，在此基础上用过渡金属Mn进行掺杂，经高温热处理制备出C-N-Mn多元复合催化剂，并用还原氧化石墨烯进行掺杂对比制备。通过控制聚合条件和络合金属浓度，可控制催化剂表面原子比例、微观形貌，调控催化剂化学性质，进而改善其导电性及电催化氧还原性能。