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燃料电池(Fuel Cell,FC)是一种高效且环境友好的新能源装置,它能把燃料中的化学能直接转换成电能。然而,FC高成本及低耐久性严重制约了其商业化应用,其中高成本主要来自于催化FC阴极氧还原(ORR)反应所需的Pt及Pt基催化剂。研究开发高ORR催化活性、高稳定性的非Pt催化剂是解决这一问题的理想方案。其中氮掺杂碳材料因其低成本、高活性、优异的稳定性和抗甲醇性能已成为燃料电池领域的研究热点。本论文以廉价易得的[2,4,6]-三吡咯-[1,3,5]-三嗪(TPT)及其聚合物为原料,通过高温热解法制备了一系列具有高ORR活性的氮掺杂碳材料,并结合材料的形貌、微观结构、元素组成、ORR催化活性等参数,对催化剂的ORR活性中心、催化机理进行了初步探讨。本论文主要开展了以下几方面的工作:(1)氮掺杂碳纳米管的制备及其氧还原性能研究。以酸化的单壁碳纳米管(CNTs)为碳源,以TPT为氮源制备了氮掺杂碳纳米管(NCNT)。X光电子能谱(XPS)测试结果表明NCNT表面的N主要以石墨N的形式存在。电化学测试结果表明NCNT在碱性介质中具有良好的ORR催化活性以及优异的稳定性和抗甲醇性,其ORR电子转移数接近4,起始电位为-0.038 V(vs.Ag/AgCl),极限电流密度为6.47 mA cm-2。(2)基于PTPT的NC催化剂的制备及其氧还原性能研究。先以TPT为单体,过氧化苯甲酰(BPO)为氧化剂,在强质子酸三氟甲烷磺酸(TfOH)的作用下,使TPT通过氧化聚合制备了多孔聚合物网络(PTPT PN)。再高温热解该聚合物网络(PTPT PN)制备了不含金属(metal-free)的NC催化剂。BET测试结果表明该NC催化剂具有多孔结构和高比表面积(779 m2 g-1);XPS测试结果表明NC催化剂表面的N主要以石墨N和吡啶N的形式存在。相比商业Pt/C,所制备的NC催化剂在碱性介质中具有很好的ORR催化性能,其起始电位为0.008 V(vs.Ag/AgCl),极限电流密度为5.05 mA cm-2,同时还具有优异的抗甲醇性和稳定性。(3)基于PTPT的Fe-N/C催化剂的制备及其氧还原性能研究。以二甲氧基甲烷(FDA)为交联剂,无水FeCl3为催化剂,采用Friedel-Crafts反应使TPT聚合,制备了多孔聚合物网络(PTPT PN)。再以该聚合物为氮源和碳源,在乙酸亚铁的存在下经高温热解制备了Fe-N/C催化剂。BET测试结果表明Fe-N/C-900具有多孔结构和高比表面积(710 m2 g-1);XPS测试出催化剂中N和Fe的含量分别为2.1%和0.6%。电化学测试结果表明,Fe-N/C-900在碱性介质中具有出色的ORR催化活性,其起始电位为0.041 V(vs.Ag/AgCl),极限电流密度为5.43 mA cm-2,且稳定性和抗甲醇性能均优于商业Pt/C。(4)基于P(TPT-Py)的Fe-NTP/C-900催化剂的制备及其氧还原性能研究。以TPT和具有较强的金属配位能力的吡咯(Py)为单体,以二甲氧基甲烷(FDA)为交联剂,无水FeCl3为催化剂,采用Friedel-Crafts反应制备了多孔共聚物网络(TPT-Py CPN)。再以该共聚物为氮源和碳源,在乙酸亚铁的存在下经过高温热解制备了Fe-NTP/C催化剂。BET测试结果表明Fe-NTP/C-900具有多孔结构和高比表面积(724 m2 g-1);XPS测试出催化剂中N和Fe的含量分别为2.59%和0.875%。Fe-NTP/C-900在碱性介质中表现出了突出的ORR催化性能,其起始电位为0.051 V(vs.Ag/AgCl),极限电流密度为5.79 mA cm-2,还具有优异的抗甲醇性和稳定性。