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燃料电池是一种具有高转化效率、长寿命和高功率密度等优点的能源转换装置,完全符合我国目前对交通新能源转换政策的要求。氧气还原反应是燃料电池装置中一个重要的阴极过程。目前工业生产上多采用Pt/C作为促进氧气还原反应的催化剂。然而由于Pt在地壳中储量少,所以使用成本较高。除此之外,在进行氧气还原反应的过程中,Pt作为催化剂极易发生溶解和团聚现象,从而造成催化剂稳定性较差。这些问题的存在严重制约了燃料电池在新能源汽车中的实际应用。因此,设计和开发一种高效非贵金属材料作为阴极电化学反应的催化剂,可以促进我国政府对能源转型政策的有效实施。本论文以碳载四氧化三钴复合催化剂作为研究对象,分别从四氧化三钴纳米粒子、炭载体以及两者界面这几个方向对复合催化剂进行了成分,结构的改性,并通过XAS及UPS等表征测试对其活性增强机制有了深入理解。为其他过渡金属氧化物催化剂的设计和合成提供了新的研究方向。本研究取得的成果如下:(1)以Co3O4/C为研究对象,通过氮掺杂等方式对界面进行设计,发现界面上形成的C-O-Co和C-N-Co等化学键控制ORR活性的关键因素之一。电化学性能测试表明,相比于Co3O4/C,N-doped Co304/C催化活性得到明显提高,其半波电位提高近30 mV。(2)将三聚氰胺作为还原剂对Co3O4/C催化剂进行部分还原处理,制备出薄壳型Co3O4_shell@Co_Core复合催化剂。对薄层厚度进行调控,发现当Co304薄层厚度为1.1 nm时,展现最优异的氧还原活性,半波电位超过Pt/C 10 mV。UV和UPS测试结果说明活性增强归因于Co3O4薄层中氧空位导致的Co304电子能级变化。(3)以三聚氰胺作为炭源,Co3O4/C为催化剂,制备出高长径比的氮掺杂碳纳米管(CNT/CB),管径约20nm,掺氮量为4.2-6.4%。这种CNT/CB复合催化剂(掺氮量5.0%时)展现出了优异的催化活性,其半波电位超过简单物理共混CNT-CB催化剂14mV,同时质量比活性是CNT-CB催化剂的15倍。其高的ORR活性主要与碳管表面掺杂的氮原子以及内部金属Co协同作用有关。(4)采用一种简单的Si02限域的方法热解制备单一Fe-N-C结构的催化剂,其中Fe与N配位形成非平面Fe(Ⅱ)-N-C结构。相比于传统热解方法,Si02可以有效避免Fe基杂质纳米粒子的产生,电化学测试表明Fe(Ⅱ)-N-C与催化剂活性有密切关系,当Fe(Ⅱ)-N-C含量26.1%时,催化剂氧还原活性最优,其半波电位超过Pt/C 20 mV。