1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 本课题的目的

进入到充满机遇与挑战的新千年，伴随着社会经济的飞速发展和人口数量的日益增长，全世界对能源的需求量逐年攀升。然而，在能源危机和环境污染两座大山的压力下，为了保障社会的安全稳定和坚持走可持续发展的道路，人类需要积极地探寻更加清洁、高效、可靠并且廉价的能源供给方式。其中，燃料电池（fuel cells，fc）作为一种高效、清洁的能源转化装置，被较普遍地认为是最具有潜力取代当今汽车内燃机动力和传统火力发电方式的新能源技术之一，成为了能源转化领域的研究焦点^{[1, 2]}。

fc是一种能够等温地将储存在燃料与氧化剂中的化学能连续不断地直接转化为电能的电化学装置，因其具有能量转换效率高、环境亲和性好、能量密度高、启动速度快、工作无噪音等优点而受到了国际社会的广泛关注^[3-7]。按照采用的电解质不同，可以将燃料电池分为质子交换膜燃料电池（pemfc）、碱性燃料电池（afc）、磷酸型燃料电池（pafc）、熔融碳酸盐燃料电池（mcfc）、固体氧化物燃料电池（sofc）等种类^[8]。fc作为一种绿色清洁的新能源转化装置，应用前景不可限量，但目前存在一些瓶颈问题亟待解决，导致其尚未实现大规模的商业化应用。其中一个重要问题在于，铂基催化剂是当前燃料电池阴极氧还原反应（oxygen reduction reaction，orr）的良好催化剂，但却存在着价格昂贵、资源稀缺、耐久性差等阻碍其商业化进程的致命性缺点^[9]。与此同时，在“十三五”规划新能源汽车重点专项中已经提出明确的指标，预期到2020年要求实现膜电极的铂用量≤0.2g/kw，耐久性≥10000 h。因此，要想真正地实现燃料电池的大规模应用，必然需要在非铂基催化剂的应用技术上取得实质性突破。

2. 研究的基本内容与方案

燃料电池，是一种直接将储存在燃料（如氢气、甲醇等）和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。由于整个反应过程不涉及到燃烧，其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率高达60～80％。然而，高成本及低耐久性严重制约了其商业化应用，其中高成本主要来自于催化阴极氧还原反应（orr）所需的pt及pt基催化剂。

开发高具有orr催化活性、高稳定性的非pt催化剂是解决上述问题的理想解决方案。掺氮生物炭因其低成本、高活性、优异的稳定性和抗甲醇性能已成为燃料电池领域的研究热点。而较为温和的水热条件可以实现生物质材料的部分碳化，可作为一种预处理手段对生物质进行一定的改性；再经过高温活化，可以得到性能优良的生物炭；掺氮处理后，可以进一步提高生物炭的催化性能。

实验拟采用豆渣作为生物质原材料，首先在温度较低、压力较小的工况下进行水热碳化预处理，得到部分碳化的生物炭；之后再使用不同的活化剂（如koh、k₃po₄等）进行高温活化，并使用(nh₄)₃po₄作为氮源进行掺氮处理，以达到提升其氧还原反应电催化性能的目的，进而实现非贵金属氧还原反应催化剂低价制备、高效催化的效果。通过实验分析不同活化温度、活化时间、升温速率、活化剂种类等因素对生物炭组成和结构的影响，进而可以探究制备得到的生物炭的电化学特性，特别是作为氧还原反应（orr）催化剂时的催化活性和稳定性。

3. 研究计划与安排

第01-02周，充分查阅国内外的相关文献资料，完成开题报告的撰写；

第03-04周，选择一篇具有一定参考价值的外文文献翻译（约5000字）；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] dash s, tan c w, yatim a h m. fuel cell hybrid electric vehicles: a review onpower conditioning units and topologies[j]. renewable and sustainable energyreviews, 2017, 76: 268-291.

[2] debem k. electrocatalyst approaches and challenges for automotive fuel cells[j].nature, 2012, 486(7401): 43-51.

[3] xuq, zhang f, xu l, et al. the applications and prospect of fuel cells in medicalfield: a review[j]. renewable and sustainable energy reviews, 2017, 67:574-580.