论文总字数：29265字

摘 要

阴极上的氧还原反应是制约燃料电池和锌-空气电池能量转化效率的主要因素之一。目前使用效果较好的主要是贵金属催化剂，如Pt/C，但由于其价格高昂，储量极低，严重阻碍了其广泛应用。因此，当前的一个研究热点是寻找基于非贵金属（如Fe，Co，Ni等）的高效氧还原催化剂来代替Pt/C，从而推动燃料电池等绿色洁净能源转化技术的商业化进程。特别是具有Fe-N_x活性位点的Fe-N-C材料，已被确定为替代Pt的最有希望的候选者之一。

本文中我们将采用一种简单有效的方法来制备ZIF-8衍生的Fe-N-C氧还原催化剂，可以同时实现致密的Fe-N_x活性位点和有利的碳微观结构。首先，通过搅拌法制备ZIF-8。其次，用KOH溶液处理FeCl₃@ZIF-8，得到核-壳结构的Fe(OH)₃@ZIF-8。最后，将Fe(OH)₃@ ZIF-8热解，得到Fe-N-C电催化剂。

关键词：金属-有机框架化合物；Fe-N-C；ORR催化性质

ABSTRACT

The oxygen reduction reaction on the cathode is one of the main factors that restrict the energy conversion efficiency of fuel cell and zinc-air cell. And at present, the most effective noble metal catalyst is Pt/C, but cause its high price and low reserves seriously hinder its wide application. Therefore, a current research focus is to find a high-efficiency oxygen reduction catalyst based on non-precious metals (such as Fe, Co, Ni, etc.) to replace Pt/C, so as to promote the commercialization of green and clean energy conversion technologies such as fuel cells.

In particular, Fe-N-C materials with Fe-N_X active sites have been identified as one of the most promising candidates to replace Pt/C.

We will make a simple and effective method to prepare the Fe-N-C oxygen reduction catalyst derived from ZIF-8, which can simultaneously realize the compact Fe-N_X active site and favorable carbon microstructure. First, ZIF -8 was prepared by solution impregnation. Secondly, FeCl₃@ZIF-8 was treated with KOH solution to obtain Fe(OH)₃@ZIF-8 with core-shell structure. Finally, Fe(OH)₃@ZIF-8 was pyrolyzed to obtain Fe-N-C electrocatalyst.

KEY WORDS: Metal-organic framework compounds; Fe-N-C; ORR catalytic properties

目 录

摘 要 3

ABSTRACT 3

目 录 5

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2研究背景与现状 1

1.2.1燃料电池简介 1

1.2.2 ORR反应机理 3

1.2.3 ORR催化剂 4

1.3金属-有机骨架材料的发展与特点 5

1.3.1金属-有机骨架材料的发展 5

1.3.2金属-有机骨架材料的特点 5

1.3.3金属-有机骨架材料的合成方法 6

1.3.4类沸石咪唑酯骨架材料 7

1.4燃料电池ORR催化剂 8

1.4.1 Pt基催化剂 8

1.4.2基于MOF前体的非金属催化剂 9

1.4.3基于MOF前体的单金属催化剂 10

1.4.4基于MOF前体的双金属催化剂 12

1.4.5基于MOF前体的非贵金属催化剂活性位点 14

1.5本论文的研究意义及内容 14

1.5.1本论文的研究意义 14

1.5.2本论文的研究内容 15

第二章ZIF-8衍生的Fe -N-C氧还原电催化剂的制备、表征及氧还原性能研究 15

2.1 实验仪器与试剂 15

2.1.1实验仪器 15

2.1.2实验试剂 16

2.2 ZIF-8的合成 16

2.3 FeCl₃@ZIF-8的合成 17

2.4 Fe(OH)₃@ZIF-8的合成 17

2.5热解碳化 17

2.5.1 C-Fe(OH)₃@ZIF-1000的合成 17

2.5.2 C-FeCl₃@ZIF-1000的合成 17

2.5.3 C-ZIF-1000的合成 17

2.6 催化剂ORR活性测试 18

2.6.1 三电极体系的制备 18

2.6.2 循环伏安法（CV） 18

2.6.3 线性伏安扫描法（LSV） 18

2.7 研究结果与讨论 19

2.7.1催化剂的结构 19

2.7.2 催化剂的相关表征 19

2.7.3 催化剂ORR催化性质及相关表征 23

第三章 总结 28

致 谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1引言

由于全球环境恶化与能源危机日益严峻的驱动，研究人员不得不探索新型能源与清洁能源。在现在的情况下，电化学燃料电池不仅能够高效地将化石能源转化为电力，并且对环境无害的特点，使得它成为一个重要的研究方向^[1]。

燃料电池发展时间至今已经有接近两个世纪，早在1839年，英国科学家就已经发现了燃料电池。该电池以稀硫酸为电解质，以氢气为阳极反应原料，氧气作为阴极反应原料，这可以说是人类历史上第一台燃料电池。后来经过F.T.Bacon在1932年将电极改为多空气体扩散电极，并使用碱性介质作为电池的电解质，该电池被称为碱性燃料电池。由于20世纪70年代能源危机的爆发，燃料电池一度成为了热门研究方向，获得了极大地发展。但随着能源危机的缓解，燃料电池又被人冷落，直到后来质子交换膜燃料电池出现以及化石能源的污染，使得燃料电池又引起了重视。质子交换膜燃料电池有着反应条件温和，具有较高的能量转换效率等一系列优点，将有望成为新一代燃料电池中的研究热点。

1.2研究背景与现状

1.2.1燃料电池简介

燃料电池种类繁多，对应不同的用途需要用到不同的电池，燃料电池的分类可以以电解质的种类来分类^[2]。

（1）碱性燃料电池（AFC）

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