電催化劑碳載體的功能化（簡體書）

低溫燃料電池作為一種清潔、高效的新型電源，正在取得日益廣泛的應用。電催化劑是低溫燃料電池的重要組成部分，其性能直接決定了燃料電池的能量轉化效率。碳載體是低溫燃料電池普遍採用的催化劑載體，具有良好的分散性、導電性和電化學性能。對碳載體進行功能化處理，可以使碳載體本身的優勢得到更加有效的發揮，從而顯著提升電催化劑的性能。

本書總結了近年來在電催化劑碳載體功能化方面的研究成果，對碳載體的共價功能化、碳載體的非共價功能化、共軛導電聚合物的功能化作用、有機物熱解產物的功能化作用以及無機材料的功能化作用分別進行了闡述。

本書適合從事催化材料及燃料電池等領域研究和開發的人員閱讀，也可供高等院校相關專業的本科生和研究生參考。

電催化劑是低溫燃料電池的重要組成部分，其性能直接決定了燃料電池的能量轉化效率。碳載體是低溫燃料電池普遍採用的催化劑載體，具有良好的分散性、導電性和電化學性能。對碳載體進行功能化處理，可以使碳載體本身的優勢得到更加有效的發揮，從而顯著提升電催化劑的性能。

本書總結了近年來在電催化劑碳載體功能化方面的研究成果，對碳載體的共價功能化、碳載體的非共價功能化、共軛導電聚合物的功能化作用、有機物熱解產物的功能化作用以及無機材料的功能化作用分別進行了闡述。

本書適合從事催化材料及燃料電池等領域研究和開發的人員閱讀，也可供高等院校相關專業的本科生和研究生參考。

隨著人類對能源需求的不斷增長和對環境質量要求的不斷提高，清潔能源在能源消耗中日益成為主要的選擇。傳統的火力發電需要燃燒大量的化石燃料，排放大量的污染物，其能量轉化流程是化學能→熱能→機械能→電能，能量轉化效率很低。燃料電池是一種不經過燃燒、將物質的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。燃料電池的放電不需要經過熱功轉換的過程，其能量轉化不受卡諾循環的限制，因此能量利用效率遠高於熱機。同時，燃料電池的產物比較清潔，對環境的影響較小。由此可見，燃料電池是一種清潔、高效的能量轉換裝置，擁有廣闊的發展前景。

低溫燃料電池技術在近年來取得了快速的發展。低溫燃料電池的運行溫度通常只有幾十攝氏度，這有利於減小能量損失，並便於其日常維護。低溫燃料電池採用聚合物電解質，這賦予它較好的可移動性，既可用於交通運輸，也可用於便攜式設備的供電。低溫燃料電池所採用的燃料可以是氫氣，也可以是醇類等有機小分子物質。由於運行溫度較低，低溫燃料電池的催化劑通常採用負載型貴金屬催化劑。為提高燃料電池活性組分的利用率，需要將貴金屬制成高分散的納米粒子，並均勻地負載於載體材料上。這就要求載體材料具有較大的比表面積和較好的分散性。此外，燃料電池的電化學反應伴隨著電子轉移，這又要求載體材料具有較高的電子導電性。

碳材料具有優異的電子導電性和良好的分散性能，是燃料電池催化劑較為理想的載體材料。常見的碳載體包括炭黑、碳納米管、碳納米纖維、石墨烯及規整介孔碳材料等。這些碳載體都具有較大的比表面積和良好的導電性，已被廣泛應用於電催化領域。此外，不同的碳載體又有各自的特點。例如炭黑載體主要由無定形碳構成，其多孔結構十分有利於納米金屬粒子的負載與分散，其表面官能團對納米金屬粒子具有錨定作用；但炭黑的耐腐蝕性稍差，特別是作為陰極催化劑載體時，在高電位下長期運行時會發生腐蝕，導致納米金屬粒子的團聚，降低了催化活性。碳納米管、石墨烯等材料具有石墨表面結構，其耐腐蝕性較好；但其光滑的表面使得負載的納米金屬粒子易於發生遷移和聚集，也會造成催化劑電化學表面積的減小和催化活性的降低。

為充分發揮碳載體材料的自身優勢，並使其性能更加完善，研究者們通過對碳載體進行功能化處理，使其更加有利於納米金屬粒子的分散和負載，並利用協同效應進一步提升催化劑的活性，增強催化劑的耐久性。①改變碳載體對催化劑納米金屬粒子的分散性能：在催化劑的制備過程中，通過在碳載體表面引入均勻分布的特徵官能團，利用這些官能團與催化劑金屬前驅體之間的相互作用，使金屬前驅體均勻地分布在這些官能團的周圍，然後在還原劑的作用下，原位還原成尺度均一且分散均勻的納米金屬粒子。②建立碳載體與催化劑活性組分之間的協同相互作用：在碳載體表面引入特徵官能團，利用官能團與納米金屬粒子之間的配位相互作用，增強催化劑的活性和穩定性。還可以通過高溫熱解等方式在碳載體的表面引入雜原子，如氮摻雜、硫摻雜等。利用這些表面雜原子與催化劑納米金屬粒子之間的電子相互作用，實現催化劑活性和耐久性的改善。③優化碳載體的形貌和孔隙結構：通過自組裝過程、模板法等途徑，在碳載體的表面構建特定的形貌特徵和孔隙結構，一方面可以阻止碳載體本身的堆疊和聚集，使其表面得以充分利用，並有效地改進催化劑的傳質性能；另一方面可以在碳載體表面形成半封閉的孔結構，從而抑制催化劑活性組分的遷移和聚集，延長催化劑的使用壽命。

綜上所述，通過對電催化劑的碳載體進行功能化處理，既可以保留其原有的優點，又能夠在不同方面對其進行性能優化，使之更加適應燃料電池催化劑的要求。碳載體的功能化使低溫燃料電池催化劑在納米金屬粒子的分散性、催化劑的活性、抗中毒能力及穩定性等方面都得到了顯著的改善，這對於燃料電池這種清潔高效的新型電源的快速發展具有重要意義。

筆者長期從事低溫燃料電池催化劑的制備和性能改進工作，對碳載體的改性和功能化進行了較為深入的研究。書中引用了筆者及研究組在國內外期刊發表的研究論文，也引用了部分其他研究者發表的相關研究論文。本書共分6章。第1章對電催化劑與碳載體進行了簡要介紹。第2章探討了碳載體的共價功能化對電催化劑性能的影響。第3章探討了碳載體的非共價功能化對電催化劑性能的影響。第4章至第6章分別闡述了共軛導電聚合物、有機物熱解產物以及無機材料的功能化作用。本書第1～4章由楊麗麗撰寫，第5、6章由陳維民撰寫。由於作者水平有限，書中不可避免地存在不足之處，望廣大讀者批評、指正。



著者

2021年2月

第1章電催化劑與碳載體

1.1電催化劑及其載體001

1.2碳載體的分類002

1.2.1無定形碳002

1.2.2石墨型碳002

1.2.3有序介孔碳006

1.3碳載體的功能化007

參考文獻007



第2章碳載體的共價功能化對電催化劑性能的影響

2.1碳載體的表面氧化011

2.2碳載體的巰基功能化020

2.3碳載體的羧基功能化024

2.4碳載體的磺酸基功能化025

2.5碳載體的氨基功能化029

2.6碳載體的其他共價功能化方法034

參考文獻036



第3章碳載體的非共價功能化對電催化劑性能的影響

3.1陰離子型聚合物的功能化作用041

3.1.1聚苯乙烯磺酸的功能化作用041

3.1.2全氟磺酸樹脂的功能化作用043

3.2陽離子型聚合物的功能化作用044

3.2.1聚二烯丙基二甲基氯化銨的功能化作用044

3.2.2聚乙烯亞胺的功能化作用058

3.2.3聚烯丙基胺鹽酸鹽的功能化作用060

3.3生物大分子的功能化作用061

3.3.1殼聚糖的功能化作用061

3.3.2脫氧核糖核酸的功能化作用072

3.3.3聚多巴胺的功能化作用079

3.4離子液體的功能化作用083

3.5其他材料的非共價功能化作用085

參考文獻090



第4章共軛導電聚合物的功能化作用

4.1聚苯胺的功能化作用094

4.2聚吡咯的功能化作用105

4.3復合導電聚合物的功能化作用114

4.4其他導電聚合物的功能化作用116

參考文獻121



第5章有機物熱解產物的功能化作用

5.1有機分子的熱解124

5.2金屬有機骨架材料的熱解128

5.3雜原子的引入131

5.3.1氮原子的引入132

5.3.2硫原子的引入146

5.3.3磷原子的引入149

參考文獻153



第6章無機材料的功能化作用

6.1雜多酸自組裝結構的功能化作用156

6.2雜多酸-聚合物功能化作用170

6.3多孔氧化硅的功能化作用177

6.4其他無機材料的功能化作用183

參考文獻189