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质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可循环利用发电装置,只要不间断燃料的供应,它就可以高效运转,因高效清洁性在众多新能源中脱颖而出。PEMFC中,阳极H2氧化反应的速率比阴极发生的O2还原高出几个数量级,O2的还原机理较繁琐,对贵金属Pt的需求量是阳极的8倍之多。目前贵金属Pt是最高效的氧还原催化剂,但它的大规模利用存在价格昂贵、含量稀少、稳定性差及容易和甲醇发生交叉中毒反应等问题。为了 PEMFC大规模利用的实现,人们把目光转向了地球上普及、售价低廉的材料来实现贵金属利用率的最小化。金属有机框架材料(MOF)是一种新兴的多孔框架碳材料,它的结构具有大比表面积、孔径分布可调性、组成的多样性、碳来源丰富等优势,可作为一种可牺牲的前驱体来构建新颖的M-N-C杂化材料应用在阴极反应中。本文主要侧重研究碳基非贵金属材料,首次以一种重复网格型的金属有机框架化合物IRMOF-3作为前躯体,乙酰丙酮铁为铁源,首先通过一步乙醇溶剂热法合成Fe/IRMOF-3,之后通过第二步甲醇溶剂热法合成Fe/IRMOF-3/DMSO,在氮气氛围下高温热解合成Fe-N-C-S杂种材料,通过优化煅烧温度及硫的引入量,构筑了立方体多孔结构碳材料Fe-N-C-S(11)-900,实现了催化剂活性及机械稳定性的提高。本文的具体工作主要是如下几个方面:1)通过简单的溶剂热-煅烧法,优化煅烧温度及硫的掺杂量,成功制得催化剂Fe-N-C-S(11)-900。XRD表明,掺杂硫原子后的Fe-N-C-S(11)-900与未掺硫的Fe-N-C-900相比,晶体结构中存在Fe特征峰,提高了催化剂导电性,SEM、TEM证明了 Fe-N-C-S(11)-900更规则正方体结构的形成。2)XPS表明Fe-N-C-S(11)-900存在吡啶氮、石墨氮、噻吩态的-C-S-C-结构利于氧还原反应进行,并证实了硫的成功掺杂。3)碱性条件下,电化学分析表明:①CV曲线表明,Fe-N-C-S(11)-900氧还原峰电位为0.91 V,远正于未掺硫的Fe-N-C-900的0.79 V,并与市售的20%Pt/C相当;②LSV测试表明,Fe-N-C-S(11)-900的起始电位和半波电位为1.042 V、0.88 V,要远正于Fe-N-C-900的0.84 V、0.69 V,接近于20%Pt/C催化剂的1.043V、0.90V,意味硫掺杂令ORR活性增大;③Koutecky-Levich(K-L)等式计算表明Fe-N-C-S(11)-900的电子转移数为3.96,接近四电子反应途径,而未掺硫的Fe-N-C-900的电子转移数只有2.78,硫对ORR反应进程起到催促作用;④计时电流曲线表明,反应10000 S以后,Fe-N-C-S(11)-900电流保持率高达81%,而市售的20%Pt/C仅为64%;注入3 mol/L甲醇后,Fe-N-C-S(11)-900未发生显著电流波动,而市售的20%Pt/C发生了显著衰减,证明Fe-N-C-S(11)-900比市售的Pt/C具备更优异的抗衰减及抗甲醇交叉反应能力;⑤Raman光谱表明,掺杂硫的Fe-N-C-S(11)-900与未掺硫的Fe-N-C-900相比,具有高度无序的碳结构,存在大量缺陷,而Fe-N-C-900存在有序的石墨碳结构,掺硫改变了催化剂的结构,提高了 ORR性能。