碳基材料催化氧还原反应的研究进展开题报告

1. 研究目的与意义

随着工业化的发展、传统化石能源的日渐匮乏及其产生的环境污染，近年来，燃料电池、超级电容器等新能源的研究成为热点。燃料电池（fuelcell）是一种能直接将燃料的化学能转化为电化学能的能量转换和储存装置，只要燃料充足，就能不断产生电和热。虽然燃料电池高效、成本低、环境友好，但燃料电池中的电极反应需要催化剂的参与。目前pt及其合金催化效果最好，但pt价格昂贵，使得催化剂的价格占燃料电池的造价的一半，而且该催化剂稳定性低，因此开发成本低、稳定高效的催化剂对推进燃料电池的实用化具有重要的现实意义。

研究表明杂原子掺杂碳材料是一种能够在未来作为替代pt基催化剂的材料。杂原子掺杂碳材料是向碳纳米材料中引入杂原子，常用n原子进行掺杂。由于n原子的外层电子比c原子多一个，所以n取代c的时候会多出电子。n掺杂后可以有效改变碳纳米材料的一些性质，如提高比表面积，提高态密度，引入更多的杂化学活性位点等。n的引入还会改变碳纳米材料的化学性质，例如，在n-掺杂碳纳米管中的n可以与金属形成非常强的键，使金属能够均匀的分布在其表面，因此在掺杂n之后还可以与金属原子进行掺杂，大大提高了碳纳米材料的催化性能。

在燃料电池领域，阴极对氧还原反应（orr）活性至关重要。在所开发的碳基材料中，fe-n-c与单原子配氮（fe-n_x）的orr活性与pt相当。氧化还原诱导的fe-n_x中间体被证明是orr活性的决定性因素。这种fe-n-c材料通常是由含铁和氮源的有机化合物高温热解合成的，但是在高温条件下，铁原子有很强的流动性，很容易聚合成纳米颗粒，或形成orr活性更低的化合物。因此在制备fe-n-c材料的过程中，纳米fe物种与fe-n_x基团之间的这种竞争关系会导致催化剂最终具有低密度的fe-n_x基团和不良的orr性能。基于这些因素研究者们使用了别的策略来最大限度提高了原子的利用率和催化性能，即消除了这些无活性的铁基纳米颗粒，并增加fe-n-c催化剂中暴露的fe-n_x活性位点的数量。这个策略便是使用一种简便而通用的二次原子辅助策略来制备单原子铁原子，使其托管在多孔掺杂氮的碳纳米管（fe-ncnws）。被二次金属离子（al、mg和zn）包围的铁原子直接转化为原子的fe-n基团，而不是纳米铁化合物。此外，高温热解产生的二次金属化合物作为模板，形成纳米孔，增加了托管fe-n_x基团的表面积。fe-ncnws具有丰富的原子活性位点和孔隙结构，在碱性和酸性条件下都表现出优异的orr性能。密度泛函理论计算表面，在多步的电子转移过程中，高的orr活性是由于富集的单原子铁位减少了能量屏障。在催化性能方面，fe-n-c在碱性和酸性介质中均优于mn-n-c，但有文献报道fe-n-c在燃料电池的耐用性比不上mn-n-c，长期下来会导致催化剂活性严重下降，催化剂寿命缩短。因为催化层的厚度影响电子的传输，催化层越厚，能量屏障越坚固，催化剂活性越差，因此从催化层的厚度来改善mn-n-c催化剂是使其成为高效催化剂的途径之一。因此研究者们开发了一种方法来控制超薄mn-n-c层与原子分散的mn物种在碳纳米管基底上的沉积，方法是在低温下对甲酰胺和锰盐进行溶剂热处理。在碳纳米管上由甲酰胺转化而来的mn-n-c材料的产物具有超薄和纳米级的涂料特性，可以通过改变处理温度来精确控制沉积厚度，从而达到目的。

2. 研究内容和预期目标

主要调研内容：

1、碳基催化剂的合成和制备方法

2、探索碳基催化剂氧还原活性的影响因素

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

本课题需要查阅大量的文献，并将每一篇文献提出的问题及研究成果记录下来

4. 参考文献

[1]yan d, guo l, xie c, etal. n, p-dual doped carbon with trace co and rich edge sites as highlyefficient electrocatalyst for oxygen reduction reaction[j]. science chinamaterials, 2018, 61(5): 679-685.

[2]liu k, qiao z, hwang s,et al. mn-and n-doped carbon as promising catalysts for oxygen reduction reaction: theoretical prediction and experimental validation[j]. appliedcatalysis b: environmental, 2019, 243: 195-203.

[3]li j c, xiao f, zhong h,et al. secondary-atom-assisted synthesis of single iron atoms anchored onn-doped carbon nanowires for oxygen reduction reaction[j]. acs catalysis, 2019,9(7): 5929-5934.

5. 计划与进度安排

1 (第一周) 接受任务，查阅文献，了解课题背景，初拟开题报告。

2（第二-四周） 完成开题报告、完成英文文献翻译、为文献调研做准备。