氟掺杂对纳米碳材料氧还原催化性能的影响研究(4)
。这种 F/Cs 比商业
铂基/碳（Pt/C）催化剂在 ORR中展现出更好的催化性能、高稳定性以及在碱性溶液中的抗甲
醇性。Sun 等人首次合成了无金属、低成本、高催化性能、可持久的氟掺杂炭黑（CB-F）催
化剂，它具有电催化活性高、长期运行稳定性和抗毒性好的特点，可以与碱性介质中 Pt基或
者其他最好的无 Pt基催化剂相比[39]
。然而，在 F 掺杂的基础上，非金属双原子共掺杂炭黑作
为 ORR 阴极催化剂未见报道。因此，本文在探究 F 掺杂 XC-72 的基础上，欲制备出 N,F 共
掺杂 XC-72 材料，利用其优异的性能应用于燃料电池 ORR催化剂中。
1.3 微生物燃料电池
1.3.1 MFC 的构造
从电池的构型上可将 MFC 分为双室 MFC 和单室 MFC。其中，双室 MFC 是实验室中最
常用的，它由阳极室、质子交换膜、阴极室三个部分组成，因此可以单独对每个部分进行研
究。但是这种结构也存在缺点，两极的传质阻力较大，造成输出的功率密度过低。而单室电
池只存在阳极室，使得阳极和阴极比较近，省去了一定的空间，从而提高阴极的传质速率，
但是体系的库伦效率比较低。
1.3.2 MFC 的基本原理
图 1.1 为双室 MFC 的工作原理图。在阳极室中，以产电微生物为底物催化剂，在厌氧条
件下，产生质子、电子和代谢为有机物，如葡萄糖、醋酸盐等。电子通过细胞膜传到阳极，再通过外电路传递到达阴极表面，从而表现为电流和电压的输出。质子通过一层质子交换膜
到达阴极，最后电子、质子和电子受体在阴极室发生反应，完成产电过程。所谓的氧还原反
应，可拆分为两个半反应，即氧化数升高的氧化反应以及氧化数降低的还原反应。其中，以
葡萄糖为底物，O2为电子受体，发生的反应如下：阴极反应：6O2 + 24e-
+ 24H+→ 12H2O (1.2)
1.4 本论文的选题依据和研究内容
1.4.1 氟掺杂的优势
在众多非金属杂原子中，F 原子具有独特的性质：电负性在所有元素中最高（4.0），即
吸引电子能力很强；F 和 H原子半径大小相似；C-F 键的键能最高。
1.4.2 目前氟掺杂研究存在的问题
常用的氟源有氟化铵（NH4F）、氢氟酸（HF）、三氟乙酸（CF3COOH）、氟化钠（NaF）
等。其中，NH4F 的价格较低，储存丰富，制备容易，毒性相对于 HF 来说较小，且几乎不含
杂离子，是 F 掺杂的主要氟源。但是其腐蚀性较强，易潮解，受热或遇热水分解为氨与氟化
氢，掺杂进入 XC-72 需要较高的温度，与 N掺杂碳材料相比，制备条件相对困难。
1.4.3 氟掺杂的研究思路
F 原子由于其较高的电负性且半径与 C相近，与其他杂原子（B，N，P，S）相比，易掺
杂于改性后的 XC-72 结构中，与 C原子结合，形成 C-F 半离子状态，并形成大量新的活性位
点，有利于O2的电子转移，表现出较高的催化活性。1.4.4 本课题的主要研究内容
我们首先拟探究不同化学改性 XC-72 的最佳方法，通过 N2、H2O2、HNO3对 XC-72 进行
改性， 并合成阴极ORR 催化剂氟掺杂炭黑 （XC-72-F） ， 还拟探究不同比例下氟掺杂量对ORR
性能的影响，找出最佳比例方案，在此基础上将通过一步水热法合成氮、氟共掺杂的炭黑
（XC-72-F-N）。通过循环伏安法（CV）、旋转环盘电极（RDE）以及电流随时间的响应（i-t）
分别考察 XC-72-F 和 XC-72-F-N 催化剂在中性介质中的 ORR 活性、转移电子数、抗毒性以
及稳定性。根据 BET 方程获得两者的比表面积。利用 XPS 检测来测定存在元素的种类，最
后应用于 MFC 中，为高效廉价的非生物阴极催化剂开辟新的道路。
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