聚吡咯修饰碳载钴催化剂对氧还原催化作用的研究.docx

聚吡咯修饰碳载钴催化剂对氧还原催化作用的研究
氧还原反应（ORR）在燃料电池、锂空气电池等能源转换器件中具有极其重要的作用。然而，商业化的ORR催化剂多数采用价格昂贵、缺乏资源的贵金属如Pt、Pd等。为了寻找低成本、高效率的替代品，许多研究者开始将焦磷酸铁、碳等材料进行改性，以期获得更好的ORR催化活性。近年来，聚吡咯（PPy）被证明对红外辐射、电磁辐射、光透明、导电性等具有很好的应用前景，且其与碳材料复合能够突破单一材料的局限性，提高催化剂的活性。因此，将PPy与碳载钴催化剂（Co-C）复合进行ORR催化行为研究，具有很好的前途。
一、实验部分
1.实验材料
碳载钴催化剂（Co-C）、聚吡咯（PPy，含量为2%）、VulcanXC-72碳黑、Nafion溶液。
2.实验方法
将PPy溶于甲醇水混合溶液中制备聚吡咯TBAH（四丁基氢氧化铵）离子掺杂体系，加入Co-C中，进行超声分散。将混合溶液在置换掉氧气的条件下在25℃恒温搅拌72h得到PPy@Co-C催化剂。利用循环伏安法和旋转电极法研究催化剂对ORR的电催化活性。
二、结果分析
1.循环伏安曲线
循环伏安曲线显示PPy@Co-C具有明显的电催化活性，接近于商业化的Pt/C催化剂。当Co-C表面负载了2%PPy之后，其氧化还原电势上升，表明PPy@Co-C催化剂的还原性降低，进一步反应表明焦磷酸根离子（Py-）作为电子捕获剂，使Co（III）比Co（II）更容易还原，提高反应率。
2.旋转电极实验
旋转电极法显示，PPy@Co-C催化剂有较高的ORR活性，其半波电位达到了-0.15V（vs.SCE），比未修饰的Co-C催化剂的ORR活性提高了约16倍。
三、讨论
PPy@Co-C催化剂的电催化活性高于未掺杂的Co-C催化剂，这主要源于PPy的导电性、骨架结构的N原子等特点对活性物种O2的吸附提供了更好的位置，从而提高电催化活性。此外，PPy的含氮官能团对活性中心的修饰具有重要意义，它可以作为电子供体或捕获剂参与反应中间体的形成过程，提高活性中心的稳定性，使其更容易被ORR活性中心（如Co3+）还原。
四、结论
在本研究中，我们成功地制备了PPy@Co-C复合催化剂，并研究了其对ORR的电催化活性。实验结果表明，PPy@Co-C催化剂具有较高的ORR活性，其活性表现比未修饰的Co-C催化剂提高了约16倍。此外，PPy修饰也使得Co催化剂的还原性降低。因此，我们认为，PPy@Co-C催化剂对于ORR反应中心的修饰是有效的，在燃料电池和锂空气电池等能源转换器件方面有很好的应用前景。