1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

随着能源与环境问题日渐严重，幵发清洁的新能源，发展高效的能源转换装置己成为全世界的研宄热点。燃料电池可以将燃料的化学能高效地转化为电能，是一种绿色、可持续的能源转换技术，被认为是代替化石燃料的不二之选。氧化还原反应（orr）是燃料电池中的重要反应，而其反应动力学缓慢，需要贵金属作为催化剂。从燃料电池成本上看，一半以上的成本都用在铂（pt）催化剂上，使得燃料电池的成本一直居高不下。同时pt催化剂在实际应用过程中还面临一氧化碳（co）中毒，甲醇耐受性差和溶解迁移等问题，严重延缓了燃料电池的商业化进程^[1]。为此，在不降低催化剂活性的前提下，提高阴极pt的催化活性降低贵金属的使用量或者用其它非贵金属催化剂完全替代pt，是降低电池成本的最关键的方法。到目前为止，人们己经发现了金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物、金属隣化物和非金属碳基材料等一系列非pt的催化剂^[2,3]。其中金属和氮掺杂的碳基复合催化剂（m-n/c，m=fe，co等）^[3~6]是最有可能替代pt的非贵金属催化剂。

目前的pt催化剂是仍最佳的单金属氧化还原电催化剂，具有很高的活性和耐酸腐蚀性。为了降低pt的用量，研究人员们设计出各种形貌和结构不同、负载或非负载型的铂、铂合金催化剂，以此来提高铂催化剂的利用率。^[7]例如，将pt与au、ag等贵金属或 fe、co、ni等过渡金属掺杂合成铂合金催化剂，不仅降低了pt的用量，还改变了pt的电子结构，使铂合金催化剂的催化活性相比纯铂催化剂提高了2～4倍。^[8]此外，将铂或铂合金纳米粒子分散到导电性良好的碳载体中，也可以有效提高 pt的利用率和orr性能。比如，li^[9]等采用硼氢化钠共还原氯铂酸(h₂ptcl₆)和氧化石墨烯（go）的方法，成功制备了催化活性和稳定性都有所增强的石墨烯载pt纳米复合催化剂。

然而，在燃料电池中，铂合金催化剂的热力学性能是不稳定的。铂合金中的过渡金属趋向以去合金化的方式溶入电解质。不同pt合金由于制备技术和电化学处理方式不同，其泄漏量（或是pt的浓缩量）和去合金化的厚度也是大不相同的^[10]_。虽然一些具有高级纳米结构的pt合金显示出了瞩目orr的催化活性，在燃料电池操作环境中金属的溶解，包括pt和合金基础金属，可能导致催化剂降解和污染电解质膜,这仍然是一个问题。另一个可能的问题是燃料电池运行中，活性催化剂纳米结构很难保留。

为进一步研发并提高非pt催化剂的活性和稳定性，许多不同的金属前驱体(fe、ni、co等)、氮源前驱体(大环类物质、含氮分子、含氮气体等)和碳源前驱体(碳载体、有机物分子等)材料被用来制备这类非贵金属催化剂，也称之为m-n-c催化剂。早在1964年，jasinski^[11]等人发现酞菁钴(pcco)在碱性条件下具有一定的orr催化活性。随着研究人员的深入研究，发现中心金属离子的种类与过渡金属大环类化合物催化剂的orr催化活性具有一定的联系，在所有过渡金属中，含fe或co的大环化合物能够构建出具有m-n₄ (m=fe, co)核心结构的高催化活性中心，表现出最优的orr催化性能^[12]_。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、主要解决问题

燃料电池的氧化还原反应其动力学缓慢，需要贵金属最为催化剂，而传统的pt催化剂由于其储量有限，价格昂贵不适合大规模生产，并且pt催化剂在使用过程中，容易受到co毒害、甲醇耐受性差和溶解迁移等问题的影响，使其催化活性受到影响。为此需要设计一种成本低廉、易于合成并且催化活性高的催化剂。

二、主要研究内容