摘要：氢氧燃料电池技术的发展有利于缓解化石燃料短缺和环境污染等问题.近年来,碱性阴离子交换膜燃料电池因可以使用非贵金属催化剂而得到广泛关注,但其阳极氢氧化反应(HOR)的动力学相对于酸性条件下有2-3个数量级的降低.因此,亟需开发低成本高活性的碱性氢氧化电催化剂.镍(Ni)基材料是非常具有应用前景的非贵金属碱性氢氧化反应催化剂.然而,纯金属Ni对氢物种的吸附过强,导致其对氢氧化反应的催化活性不高.因此,研究学者们采取了多种改性策略以提高Ni基催化剂的催化活性.目前报道的比较有效的策略是构造Ni基氮化物,调节Ni的电子结构,减弱Ni位点对H物种的吸附,进一步增强其对碱性HOR的催化性能.另一种行之有效的策略是构筑Ni基异质结构,通过组成异质结构的两相之间的电子转移优化催化剂对反应中间体氢和氢氧物种的吸附,从而提升对碱性HOR的催化性能.综上所述,通过催化剂结构设计提升其催化活性是一个值得研究的课题.本文通过构建氮化物结构和异质结构以调节催化位点对碱性氢氧化反应中间体H和OH物种的吸附能力,从而增强Ni基催化剂的活性.采用多步溶剂热和氨气退火方法合成了Ni_(3)N/MoO_(2)平面异质结,电化学测试结果表明,Ni_(3)N/MoO_(2)平面异质结表现出了较高的催化活性,其质量活性达到了16.4 mA mg^(-1),分别是纯氮化镍的4.4倍和纯镍的8.6倍;同时,Ni_(3)N/MoO_(2)平面异质结还表现出了较好的循环稳定性,在2000次CV循环后,性能基本无变化;另外,Ni_(3)N/MoO_(2)平面异质结还具有较好的CO耐受性,即使在1000 ppm的CO存在时,其活性衰减也较小.进一步通过CO剥离和氢气氮气条件下的循环伏安法研究其对OH和H物种的吸附能力,分析了Ni_(3)N/MoO_(2)平面异质结对碱性HOR性能的增强机制.CO剥离实验结果显示,Ni_(3)N/MoO_(2)平面异质结表现出较Ni_(3)N低的CO剥离峰,表明由于MoO_(2)的引入,Ni_(3)N/平面异质结对OH物种的吸附能力增强.循环伏安结果显示,相比于N2饱和的0.1 mol L^(-1)KOH电解液中催化材料的氧化峰位置,Ni_(3)N/MoO_(2)平面异质结在H2饱和的0.1 mol L^(-1)KOH电解液中的氧化峰较Ni_(3)N正移更明显,表明Ni_(3)N/MoO_(2)平面异质结对H物种的吸附减弱,这归因于MoO_(2)与Ni_(3)N之间的电子转移对Ni电子结构的优化.因此,由于Ni_(3)N/MoO_(2)平面异质结构对H物种的吸附减弱和OH物种的吸附增强,从而加速了碱性氢氧化反应进程.综上,本文为设计高性能碱性氢氧化电催化剂提供了一种简便的方法.

摘要：质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心组件之一,具有隔绝阴阳极、提供质子传递通道和阻止燃料渗透的作用.商业化应用的全氟磺酸PEM存在燃料渗透严重、高温条件下导电性差和成本高的问题,开发性能优良的聚合物PEM显得很有必要.本文讨论了近年来聚合物PEM的研究进展,分别从聚合物的主链、支链和交联结构角度介绍了分子结构对薄膜相分离、质子导电性、稳定性和电池性能等性能的影响,并讨论了聚合物分子结构设计方面存在的问题,最后对燃料电池用聚合物PEM在未来的发展方向进行了展望.