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目前,各种中低温型燃料电池的阴极催化剂仍以Pt/C催化剂为主。但是,由于Pt是贵金属,资源稀缺,价格昂贵,在直接甲醇燃料电池中,Pt还会催化甲醇氧化,产生混合电位效应,且易被CO毒化,因此,开发能够代替Pt/C的新型ORR催化剂是使燃料电池能够大规模商业化应用的一个关键问题。
本文中,以硝酸钴和硫酸镍作为过渡金属前躯体,吡咯作为氮源,VulcanXC-72作为碳载体,采用化学浸渍法制备得到Co-PPy/C催化剂,并首次制备出Co—Ni-PPy/C催化剂。采用扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、X射线光电子能谱等材料分析方法对催化剂的表面形貌、物相、表面成分等进行表征。采用电化学工作站和旋转圆盘电极对催化剂进行循环伏安和RDE伏安测试,研究了催化剂的催化性能和催化机理。系统地研究了Co含量、PPy含量和热处理对Co-PPy/C催化剂催化性能的影响以及Co、Ni含量对Co-Ni-PPy/C催化剂催化性能的影响。
结果表明,Co-PPy/C和Co-Ni—PPy/C两类催化剂都对氧还原有较好的催化活性,但前者较后者活性更好,因为在于Co-PPy/C催化剂催化氧还原以四电子过程为主,而Co-Ni-PPy/C催化剂催化氧还原以两电子过程为主。过渡金属和N源都是保证催化剂具有ORR催化活性且活性较好的必要条件,且载量存在最优值,并不是载量越高,催化剂活性越好。热处理通过改变N的形式来改变催化剂活性,quaternary N和graphitic N是催化氧还原反应的主要活性位。