【摘 要】
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高效氧还原催化剂的发展对于燃料电池技术的进步至关重要。本文依据DFT计算探究具有Fe-N4活性位点的单原子催化剂上拥有多个活性位点的可能,以及各个活性位点的ORR活性。利用电沉积法以及自主创新的旋转电沉积方法制备出具有纳米片颗粒镶嵌的多孔表面结构的高效氧还原催化剂—MnO2@Mn催化剂。对制备工艺进行研究的同时,运用XRD,SEM,TEM,XPS,Raman等测试手段对材料的物相组成和微观形貌做了
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高效氧还原催化剂的发展对于燃料电池技术的进步至关重要。本文依据DFT计算探究具有Fe-N4活性位点的单原子催化剂上拥有多个活性位点的可能,以及各个活性位点的ORR活性。利用电沉积法以及自主创新的旋转电沉积方法制备出具有纳米片颗粒镶嵌的多孔表面结构的高效氧还原催化剂—MnO2@Mn催化剂。对制备工艺进行研究的同时,运用XRD,SEM,TEM,XPS,Raman等测试手段对材料的物相组成和微观形貌做了表征。采用LSV,CV,Tafel,I-t,EIS等电化学测试手段样品的氧还原催化活性以及长时间放电稳定性进行了表征。（1）DFT计算表明,在Fe-N-C催化剂模型上中心Fe原子是氧还原反应的第一催化活性位点,催化反应的速度控制步骤为OH-从Fe-N-C催化剂上脱附。当中心Fe原子被中间产物占据时,C1位点可以作为Fe-N-C催化剂的第二催化活性位点,速度控制步骤为O2分子吸附在催化剂上得一个电子生成*OOH的步骤。（2）通过电化学沉积法,以500 mA cm-2电流密度沉积80 s制备出具有多孔结构的锰基氧还原催化剂。多孔结构是由一个个球形颗粒组成的,球型颗粒生长在一起形成了多孔结构的孔壁,颗粒直径大约是7μm,多孔结构的孔径为10μm到15μm。催化剂样品表现出与商业Pt/C催化剂相似的起峰电位与半波电位,同时长时间放电稳定性优于商业Pt/C催化剂。（3）通过自主创新的旋转电沉积法制备出一种具有微米片状颗粒镶嵌在多孔表面结构的高性能氧还原电催化剂—MnO2@Mn催化剂。MnO2@Mn催化剂样品中存在金属锰以及二氧化锰,非晶态二氧化锰均匀分布在多晶态和非晶态的锰金属中。最佳沉浸工艺为500 mA cm-2沉积电流密度下沉积80s,此工艺下制备出的MnO2@Mn催化剂样品表现出超越商业Pt/C催化剂的优异氧还原性能,在其界面上发生的氧还原反应是高效的四电子转移步骤,其电化学阻力以及长时间放电稳定性能均优于商业Pt/C催化剂。
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