共价三嗪框架负载过渡金属氧化物在氧还原反应中的应用

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氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)是质子交换膜燃料电池、金属-空气电池等能量转换装置中的重要电极反应。开发高效、高稳定性、价格低廉的非贵金属ORR催化剂对这些清洁能源技术的商业化应用至关重要。本文利用水热法使Co3O4、Mn3O4纳米颗粒原位生长在共价三嗪框架(Covalent Triazine Frameworks,CTFs)基底上,制备了一类新型非贵金属ORR催化剂,并显示出了协同催化效果。本文主要研究内容及结果如下:(1)利用离子热法在400700℃下合成了CTFs基底,并探究合成温度对CTFs基底ORR活性的影响。电化学测试结果表明,合成温度越高,CTFs基底的ORR活性越高。其中,700℃下合成的CTF700基底的催化效果最佳,其半波电位为0.79 V,极限扩散电流密度为3.98 mA cm-2。随后,将不同温度下合成的CTFs基底与钴盐按照相同配比负载Co3O4纳米颗粒,结果显示Co3O4/CTF700复合物具有最高的ORR活性。(2)利用水热法制备一系列Co3O4/CTF700复合物,并探究负载量对复合物ORR催化活性的影响以及复合物的催化协同效果。XRD、TEM、XPS、BET、TGA等表征结果表明Co3O4纳米颗粒已成功负载在CTF700基底上。系统的电化学测试表明,Co3O4/CTF700-1:1复合物显示出了协同催化效果,具有最高的半波电位和极限扩散电流密度,分别为0.84 V和5.43 mA cm-2,并且其Tafel斜率最小,为44.0 mV dec-1,说明其具有最佳的ORR催化活性。抗甲醇毒化性能测试结果表明其对甲醇有良好的耐受性。并且稳定性测试结果表明其在恒定电压下连续工作36000 s后电流密度可以保持在原来的91.8%,说明其具有优于Pt/C催化剂的稳定性。(3)利用水热法制备了一系列Mn3O4/CTF700复合物,探究CTF700基底与其他过渡金属氧化物复合后的ORR活性。电化学测试结果显示Mn3O4/CTF700-1:2复合物具有最高的半波电位和最小的Tafel斜率,其极限扩散电流密度显著提高,为5.94 mA cm-2。抗甲醇毒化性能测试和稳定性测试结果显示,其同样具有优于Pt/C催化剂的甲醇耐受性和良好的稳定性。
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