论文部分内容阅读
现今社会，随着能源和环境问题日益突出，发展清洁型新能源和存储装置越来越引起人们的重视。燃料电池和氢能作为非常有前景的能量转换和存储装置，在新能源车领域拥有很大的发展前景。氧还原反应(ORR)，析氧反应(OER)，析氢反应(HER)和氢氧化反应(HOR)为燃料电池、金属-空气电池中重要的电化学反应。这些反应高度依赖于Pt基催化剂，不幸的是，Pt的高成本和低耐久性阻碍了新兴的能量转换装置的广泛商业应用。因此，开发非贵金属及低Pt族催化剂是当前研究热门话题。 碳纳米纤维材料导电性好、比表面积大，同时，一维纳米结构使其广泛应用于催化活性物质的支撑材料。而适当地掺杂非金属杂原子(如N、P、S、B)和过渡金属杂原子(如Fe、Co或Ni)，改变电子分布和几何结构，带来更多的结构缺陷。本论文主要内容如下: (1)同步硫化获得多活性位点的原子级Fe-N-C催化剂用于氧还原性能研究。 本工作中，硫化用于提高FexC/Fe的活性，形成一个优化的体系“FeNC-S-FexC/Fe”，用于含氧催化。同时，密度泛函理论(DFT)计算结果表明Fe-Nx活性中心与FexC/Fe和含S物质的协同作用促进ORR催化活性。特别是，FeNC-S-FexC/Fe在酸性介质和碱性介质中显示出优异的ORR活性(半坡电位(E1/2)分别为0.821V(vs.RHE)、0.887V(vs.RHE))和耐久性(10000次循环后几乎没有活性衰减)。有趣的是，FeNC-S-FexC/Fe也表现杰出的OER催化活性。因此，FeCN-S-FexC/Fe可用作锌空气电池的高性能双功能催化剂。 (2)硼化钌(RuxB)作为析氢催化剂的制备及宽pH范围内的电化学性能研究。 未来的可再生能源系统对具有成本效益的HER催化剂有着至关重要的需求，开发适应全pH条件下的高性能催化剂仍然具有挑战性。本文首次报道了一种新型N掺杂碳包裹的RuxB纳米粒子(Ru2B3@CNF)。Ru2B3@CNF在10mA cm-2的电流密度下分别在1MKOH、0.5MH2SO4和1MPBS中，仅需7mV、41mV和58mV的过电势，表现出优异的催化活性，在酸性和中性条件下与商业Pt/C催化剂相当，在碱性中甚至优于商业Pt/C催化剂，而且在所有pH值条件下都具有优异的耐久性。结合DFT计算研究表明，缺少电子的B原子有助于局部电子重分布，导致在Ru2B3的Ru-B键对H*的吸附优于Ru的Ru-Ru键。因此，我们的工作突出了一种新型的廉价过渡金属硼化物作为高效率HER的电催化剂。