基于吡啶聚合物的高效碳基非贵金属氧还原催化剂的设计、制备及性能研究

Developing low-cost and high-performance ORR catalysts to substitute traditional Pt-based catalysts is of top importance for the commercialization of advanced energy systems, such as PEMFC, DMFC, etc.. Towards this end, in this project, we aim to develop a series of high-performance ORR catalysts by using pyridine-based polymers as the precursors. By adjusting pyridine rings distribution, constructing M-Nx coordination structures, as well as porous structures, we attempt to obtain catalysts with various compositions and structures. By studying the relationship among catalysts’ compositions, structures, electron distribution and their ORR performance, we try to reveal the active sites and possible catalytic mechanism for carbon-based ORR electrocatalysts. Besides obtaining high-performance ORR catalysts, this project will also be able to deepen the understanding of the electrocatalytic laws of carbon-based ORR catalysts, accelerate the development of carbon-based ORR catalyst, and promote the commercialization of advanced environment-friendly energy systems.

开发廉价、高性能的氧还原（ORR）催化剂来替代传统金属铂（Pt）催化剂是质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）等先进能源系统商业化进程中的重中之重。针对这一重大科学问题，本项目拟采用吡啶聚合物为前驱体制备高性能的掺杂碳基ORR催化剂。通过调控催化剂中的氮掺杂量及活性氮组成、构建与调节M-Nx配位结构与多孔结构等多种手段调节碳催化剂的组成、结构及ORR催化性能；通过研究不同催化剂的组成、结构及电子分布状态与ORR电催化性能之间的关联，探讨催化剂中的催化活性中心及可能的催化反应机制。本项目的开展，有望得到高性能的ORR催化剂，同时也将有助于深化人们对碳基ORR催化剂电催化规律的认识，指导更高层次的碳基ORR催化剂的开发，促进PEMFC等绿色环保能源系统的商业化进程。

本项目以聚（4-乙烯基吡啶）、聚（2-乙烯基吡啶）、聚丙烯腈、4, 4’-联吡啶等为前驱体，制备了一系列的碳基氧还原催化剂，研究了不同催化剂的组成、结构与其性能之间的关联。研究表明：.a）.在催化剂中构建合适的配位中心有利于提升催化剂的活性。其中以4, 4’-联吡啶铁配位化合物制得的介孔碳材料在碱性介质中的中部电位可以达到0.906 V，是已报道的碳基ORR催化剂中性能最高的催化剂之一。将该催化剂用于锌-空气电池，可以使锌-空气电池具有196.3 mW cm-2的最大功率815.6 mAhgZn-1的比容量。.b）.合理设计催化剂的多孔结构对于催化剂性能的提升至关重要，在微孔、介孔及大孔中，介孔起着非常重要的作用。.c）.催化剂中残留的金属单质是氧催化反应（包括ORR与OER）可能的催化活性中心。酸洗去除金属后，催化剂的ORR与OER催化性能均发生了显著的下降。