选题背景及意义

随着汽车工业的不断发展，传统燃油汽车保有量的不断增多，车用燃油消耗量占石油消耗总量的比例估计达40%左右，然而传统汽车内燃机的热效率约只有25%~40%，并且产生大量的尾气排放，造成大气污染。随着资源与环境问题的日益严峻，世界各国纷纷致力于节能减排，其中新能源汽车的普及与推广成了重中之重。几个传统汽车行业大国也纷纷宣布禁止销售传统内燃机汽车提案，其中美国、德国2030年；法国2040年；英国2050年。另外对于我国而言，石油对外依存度已超过55%，并且传统内燃机技术与德美日等传统汽车大国任有巨大差距。因此我国发展新能源汽车已经成为国家战略：一方面，新能源汽车对于后发赶超、建成汽车强国具有重要意义；另一方面，发展新能源汽车是解决能源紧缺、环境污染等问题的重要措施。

目前国内市场的新能源汽车主要以混合动力或纯电动汽车为主。其技术相对简单成熟，只要在有电力供应的地方即可供电。然而蓄电池单位重量储存的能量少，为保障续航里程需要大量的蓄电池组，导致电动汽车价格过高，并且充电速度太慢，最大功率不足难以用于商用车、工程车，因此限制了其发展。因此需要大力发展功率更高燃料电池汽车，其能量转换效率比内燃机高2～3倍，具有低排放、操作简单、启动快速而且运行平稳、无噪声的优点。

然而限制燃料电池发展的最主要的原因是其阴极的氧还原反应慢，为提高反应速率和转换速率需要大量的铂来催化加速阴极的氧还原反应（ORR）。到目前为止铂基催化剂仍然是催化氧还原反应中性能最好的催化剂。然而铂金属价格昂贵、储量稀少，大量的使用铂基催化剂已经严重影响了燃料电池的商业化，以丰田在2014年底发售的未来（Mirai）为例，每辆车铂的用量为100克，而2019年的铂价一克已经达到200元左右，不仅如此铂在地壳中的含量太少，每年的开采量完全达不到其需求量，因此需要大力发展非铂的阴极氧还原催化剂。本文拟采用合成制备含钴的有机金属框架结构（ZIF），其有良好结构的多孔性，超高的比表面积和低成本，可用于作为铂基催化剂的代替物。但是在退火的过程中，其结构可能会发生坍塌，导致钴的团聚，降低其孔隙率和活性位点。故本文用原子层沉积（ALD）和水解法等方法，在有机金属框架结构外包覆了一层纳米保护层，防止其结构崩塌。

国内外研究现状

将金属有机框架结构（ZIF）应用在氧还原反应（ORR）国内外的相关研究很多。

ZIF即沸石咪唑酯骨架结构材料，是多孔的晶体材料。最早于2007年在美国加州大学洛杉矶分校和亚利桑那州大学的研究员联合合成了金属-有机沸石的类似物。研究人员发现利用氮原子替代关键位置的碳原子可以改变咪唑酯的链接状况，对于A型沸石（LTA）的就够材料有很大影响。由于该材料的多孔性，带动众多新应用的出现，广泛应用在催化领域。

例如在光催化领域中用ZIF-8来制备ZnO由于近几年新能源汽车的大热，国内开始研究大量燃料电池、锂空锌空电池，而最主要的研究热点之一就是ORR,以及ORR和OER的双功能催化剂，目前有大量的研究工作。