1.1研究目的

当今社会的发展进步与能源的关系日益密切，工业革命的开展，引入了煤、石油等化石能源，然而在它们为经济发展提供物质基础的同时，其自身具有的开采运输成本较高、储量不足、分布不均、不可再生、燃烧产物严重危害环境等缺陷，逐渐引起人们的重视。正因如此，发展可再生可持续能源转换技术，发展绿色无污染的可再生能源来代替化石燃料具有极其重要的意义，人们也花费了巨大的努力去发展新型能源储存和转换设备.^[1]燃料电池是一种清洁高效的能源转换形式，可以直接将燃料的化学能转换成电能，具有很大的发展前景。

目前本研究将分析生物质（竹子）用硝酸铁浸渍热解制备介孔碳，在介孔碳中掺杂三聚氰胺再次热解制备燃料电池催化剂，并在不同热解温度条件下分析生物质热解所制取的燃料电池催化剂的性能。

1.2研究意义

燃料电池可以源源不断地输入燃料进行发电，从而可以持续对外供电。它具有能量转换效率高，功率密度高，环境友好，有害气体排放少，噪声污染小以及操作方便等优点。^[2]目前燃料电池种类丰富，主要有磷酸燃料电池，碱性燃料电池，固体氧化物燃料电池，质子交换膜燃料电池和甲醇燃料电池等。^[3]氢-空气燃料电池由于氢气不易于运输和储存，其适用范围受到极大的限制。金属-空气电池由于其理论能量密度高，价格低廉，安全性较高而具有广阔的前景。其中锌-空气电池极佳的使用性能而受到人们的关注。^[4]燃料电池的阴极发生氧还原反应，这是电池反应速率的关键步骤，但由于其反应的动力学缓慢导致反应速率较慢是目前面临的最大挑战，所以我们需要通过添加催化剂来加快反应速率，提高能量密度。^[5]目前，燃料电池主要使用贵金属催化剂，其价格昂贵，使用成本高，贵金属储量稀少等缺点限制了其大规模使用。在贵金属催化剂中使用最为广泛的是铂基催化剂，铂基催化剂是目前提高氧还原效率最高的金属催化剂，但由于其在燃料电池成本中所占比例最高，且铂储量稀少不可持续供应导致其难以大规模商业应用。^{[6] [7] [8]}另外，铂基催化剂选择性较低，对于甲醇耐受性差、容易CO中毒和稳定性较差等问题也影响其投入使用。因此对于我们来说，在基本上不影响氧还原催化性能的前提下，发展非金属或廉价金属催化剂对于降低电池成本起主要作用，对于燃料电池大规模商业应用也具有极大的意义。^[9]

1.3国内外研究现状分析

随着化石燃料的开采与使用，化石燃料的储量日益减少，环境污染日益加重，能源与环境的矛盾日益突出，所以我们需要去改变能源的使用方式和结构，发展清洁能源与技术，实现可持续发展。燃料电池和金属-空气电池可以高效的将化学能转换成电能，但其阴极氧还原反应动力学缓慢，需要催化剂去提高反应速率。铂基催化剂是活性最高的氧还原催化剂，但是价格昂贵，阻碍了其商业应用。目前为止，人们已经发现金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物、金属磷化物、非金属碳基材料等非铂基催化剂。^[10]其中金属和氮掺杂的碳基复合催化剂具有优异的催化活性，最有希望去代替铂基催化剂。

目前非铂基金属氧还原催化剂和非金属碳基催化剂在世界范围内已经得到了一定程度的发展。钯、金、银基等贵金属具有相对较高的氧还原催化活性，较好的甲醇耐受性和稳定性以及相对较低的价格引起了人们的重视。^[11]铁锰钴等过渡金属氧化物具有广泛的研究前景，它具有资源丰富、价格低廉、制备工艺、在碱性环境中稳定性较好等优点。由于其金属氧化物导电子能力和氧气吸附能力差，不利于氧还原反应，因此可以通过改变金属氧化物的颗粒尺寸、与导电性较好的材料复合、形成金属和金属氧化物的核壳结构、掺杂和构造氧缺陷等方法来提高其催化活性。^{[12] [13]}过渡金属氮化物和碳化物也具有氧还原催化活性，在碱性环境中活性接近于铂，在酸性环境中催化活性表现一般，但其稳定性很高。依宝廉等制备以活性炭为载体的Mo2N催化剂，酸性环境中LSV曲线显示其催化活性表现一般，但在60h的连续运行后，电池性能没有发生明显的改变，说明其在酸性环境中稳定性很高。

目前世界范围内最有发展前景的是碳基的非贵金属或非金属催化剂。其中碳基的非贵金属催化剂就是过渡金属氮碳类催化剂，碳基的非金属催化剂就是非金属掺杂的碳材料。^[14]两者都是以碳为主体，掺杂、负载金属或者非金属，由于其催化性能相近且表现优异，受到极大关注。碳基材料可分为碳纳米管、石墨烯、多孔碳。它们都具有稳定性强、孔隙结构丰富、比表面积大和导电性好等优点，均适用于作为氧还原催化剂的载体。^{[15] [16] [17]}Jasinski等人在1964年最早发现过渡金属碳氮类催化剂（酞菁钴）具有一定的催化活性。其催化活性高、制备价格低廉、甲醇敏感度低和不会CO中毒等优点受到大家的重视。但其催化性能受PH影响大，且稳定性不高。Jahnke在1974年提出通过热处理能够提高过渡金属氮碳类催化剂的活性，虽然活性和稳定性得到提高，但成本也随之提高。之后Dodelet课题组提出使用金属源和碳材料在氮气氛围中热解制备M-N-C,NH3不仅仅充当氮源，而且还能够刻蚀碳载体增加更多的孔隙结构。在最新的M-N-C催化剂研究过程中主要关注催化活性中心和新型材料的制备。魏子栋课题组认为Fe-Nx是催化活性中心，其中单质铁和碳化铁起促进作用。孙世刚课题组在Fe-N-C催化剂中掺杂S试图提高其催化活性。

在燃料电池和金属-空气电池当中，氧还原反应是至关重要的阴极反应过程，然而电化学过程反应动力学缓慢，极其依赖催化剂的活性和耐久性。^[18]因此研究价格低廉、活性高、稳定性优异的催化剂对于燃料电池和金属-空气电池的大规模商业应用具有重要意义。^[19]