酞菁钴@碳纳米管电催化氧还原材料的构筑、性能及机理研究开题报告
2020-04-25 08:04
1. 研究目的与意义（文献综述）
随着工业社会的发展，生态环境遭到破坏，能源危机日益加重，发展可再生的清洁能源成为科研工作者们努力的方向，在金属空气电池、燃料电池等各种能量转换系统中，氧还原反应（orr）是其中十分重要的半反应，如何高效快速的使反应进行成为当下研究的热点和难点。
氧还原反应涉及多步质子偶合和四电子转移过程，发生反应时动力学十分缓慢，需要催化剂加速反应进行，提高效率，降低能量消耗。迄今为止，pt 基催化剂目前仍旧是市售的氧还原性能最好的催化剂，但是其价格昂贵，储量稀少，并且催化稳定性较差，严重阻碍了pt基催化剂的商业化和在电催化反应中的广泛应用[1]。目前针对pt基催化剂存在的问题，通常有两种解决途径：1）通过pt与其他非贵金属合金化，减少pt的用量[2,3]；2）开发非贵金属催化剂，完全替代pt基催化剂。金属氧化物，氮化物，磷化物及掺杂碳材料等在酸性介质中稳定，常被用来研究做pt 基催化剂的替代材料[3-7]。反应活性，催化稳定性，对o2吸附难易程度以及合成路径的环保性，成为选用金属元素及其衍生物的衡量指标，最常用的为fe，co，cu，mn，zn衍生物或合金以及氮掺杂石墨烯、碳纳米管等[8]，虽在一定程度上改善了氧还原性能，但在这个基础上仍旧存在提升的空间。
金属酞菁、卟啉化合物是一类具有m-n4 结构的大环化合物[9,10]，结构对称，化学性质稳定，内环存在空穴，可容纳fe、co、cu等过渡金属元素，内环有18个π电子的共轭结构[11]，有利于电子的快速传输，并且容易与其他材料复合，通过π—π共价键相互作用实现与基体材料的结合[12]，是pt 基催化剂理想的替代材料，缺点是活性有待提高，反应稳定性较差[13]，究其原因，有以下几点，反应介质容易与酞菁中心的金属反应，对m-n4结构有去中心作用，使得稳定性降低；反应过程中间产物过氧化氢生成，腐蚀大环结构，并且随着反应的进行不断积累[14]。研究表明，酞菁分子周围的取代基团对其稳定性影响巨大[15]，但置换取代基要从酞菁分子的合成开始，过程十分复杂，较为简单的改进办法就是热处理和与碳载体进行复合[16]。
2. 研究的基本内容与方案
(一)、基本内容
材料制备：
1）采用溶剂热法，通过控制温度和时间以及酞菁钴、酞菁铁的投料比，得到形貌最优酞菁钴/铁纳米棒前驱体。
3. 研究计划与安排
第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。
第4-8周：按照既定方案合成酞菁钴/铁复合纳米材料，并采用sem、tem和xrd对其进行形貌和物象表征，确定结构和成分。
第9-13周：采用cv、eis、lsv、rde等测试方法进行电催化性能测试，并对完成数据处理和理论分析。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] kim d w, li ol, saito n. the role of the central fe atom in the n4-macrocyclicstructure for the enhancement of oxygen reduction reaction in a heteroatomnitrogen-carbon nanosphere[j]. physical chemistry chemical physics, 2014, 16(28):14905-14911.
[2] huawei wang,wenjia luo，et al. synergisticallyenhanced oxygen reduction electrocatalysis by subsurface atoms in ternarypdcuni alloy catalysts[j]. advancedfunctional materials，2018, 1707219:1-10.
[3] li w,yu a, higgins d c, et al. biologically inspired highly durable ironphthalocyanine catalysts for oxygen reduction reaction in polymer electrolytemembrane fuel cells[j]. journal of the american chemical society, 2010, 132(48):17056-8.
