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摘 要

基于传统贵金属催化剂的成本和使用限制，研究低成本过渡金属催化剂变得尤为重要。本文以水热共沉淀法，通过异烟酸配体，与乙酸钴、乙酸钪反应合成出钴钪双金属电催化剂，并将催化剂负载到三聚氰胺泡沫上。对催化剂进行形貌分析，由扫描电镜可知催化剂有较小的尺寸且在碳骨架上分散均匀。通过电化学方法，测试了在1 M KOH电解质溶液中催化剂的氧还原和氧析出活性，氧还原起始电位为-0.5 V，Tafel斜率为22.131 mV dec^-1，氧析出过电位为1.5 V，Tafel斜率为83.285 mV dec^-1，可知合成出的双金属电催化剂催化活性较差，需要做进一步研究探索。

关键词：电催化剂；氧还原反应；氧析出反应 ；催化活性

ABSTRACT

Based on the cost and use limitation of traditional noble metal catalysts, it is very important to study low-cost transition metal catalysts. In this paper, a co scandium bimetallic electrocatalyst was synthesized by the hydrothermal coprecipitation method through hetero nicotinic acid ligands, cobalt acetate and scandium acetate, and the catalyst was loaded onto melamine foam. The morphology of the catalyst was analyzed by SEM. It can be seen from the SEM that the catalyst has a small size and is well dispersed on the carbon skeleton. In 1M KOH electrolyte solution , the activity of oxygen reduction and oxygen evolution reaction of catalyst was measured by electrochemical method, The initial potential of oxygen reduction was -0.5 V, the slope of Tafel was 22.131 mV dec^-1, the overpotential of oxygen precipitation was 1.5 V, and the slope of Tafel was 83.285 mV dec^-1. It is known that the catalytic activity of the synthesized bimetallic electrocatalysts is poor, which needs further research and exploration.

Key words：Electrocatalyst; oxygen reduction reaction; oxygen precipitation reaction; catalytic activity

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 I

第一章 绪论 1

1.1 电催化产氧反应ORR和OER 1

1.1.1 氧还原反应 2

1.1.2 氧析出反应机理 3

1.2 催化剂的选择 5

1.2.1 贵金属催化剂 5

1.2.2 非贵金属催化剂 6

1.2.3 非金属催化剂 6

1.2.4 杂原子掺杂碳材料催化剂 7

1.3 课题研究内容和意义 10

第二章 实验部分 11

2.1 实验原料和仪器 11

2.1.1 实验原料 11

2.1.2 实验仪器及测试方法 11

2.2 催化剂的制备 12

2.3 测试电极制备及电化学测试 12

第三章 结果与讨论 13

3.1 EDS元素映射图 13

3.2 形貌分析 13

3.3 X射线粉末衍射（XRD）分析 14

3.4 热重分析（TGA） 15

3.5 电化学测试 15

第四章 总结与展望 17

4.1 总结 17

4.2 展望 17

参考文献 18

致 谢 20

基于异烟酸配体的双金属催化剂的制备及催化性质

第一章 绪论

随着经济发展持续增长，不可再生能源的消耗及对环境的污染问题时刻困扰着大家，新一代的能源开发，转换和存储设备及技术变得越来越重要。氢气是普遍认为的最清洁的可持续再生能源之一，燃烧产物为水，而电化学分解水是被认为生产氢气和氧气最有希望的方法之一。电化学解离水与氢氧燃料过程相反，可将两者组合构成能源应用的循环装置，不仅对环境的污染小，而且也能够充分开发和利用自然资源。对于电解水，发生在阴极的析氢反应和燃料电池中发生在阳极的氢氧化反应^[1]，都是限制设备发展的重要原因。所以需要选择合适的催化剂来加速电解水和燃料电池的发展。

而TMs / NC作为一种新型的复合材料，这种材料的高度模块化特性允许材料的设计与特定的孔隙形状/环境和空间相协调，这使它们成为许多重要的能源和环境相关应用的理想候选，如能源存储(H₂， CH₄，和C₂H₂)，碳氢化合物分离被广泛视为一类有潜力的催化材料。所以，高稳定性及催化活性的TMs / NC类催化剂的研究探索，可以解决贵金属催化剂高成本问题对燃料电池发展带来的限制。从而得出两种金属掺杂的电催化剂对氧还原和氧析出反应的影响规律。

单金属掺杂的电催化剂活性中心少,活性低,科研者对催化剂的合成、活性提高和应用出现问题一直在攻克。故探索过渡金属掺杂的、多活性中心的高效双金属电催化剂对清洁能源应用和开发十分重要，是具有研究价值的一项举措。因此，本论文的目的是研究新的高效和稳定的低成本的非金属催化剂及其对氧还原和氧析出反应的催化作用。以解决诸如催化剂成本高和稳定性低等问题。

1.1 电催化产氧反应ORR和OER

电催化产氧反应是一种生成氧气的反应。氧电极反应分别由氧还原反应（ORR，Oxygen reduction reaction）及氧析出反应（OER，Oxygen evolution reaction）组成的。两个反应进行的介质不同，反应物和产物在不同介质中也不同。在酸性或碱性介质中发生的两个反应，是目前探索和应用最为广泛的。

1.1.1 氧还原反应

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