● 摘要
由于其能量转化效率高、高功率密度零污染等优点，作为新兴的可再生能源的燃料电池和金属空气电池而备受关注。然而，阴极氧还原反应的缓慢动力学过程，成为制约电池性能的主要因素。目前，贵金属pt被认为是最有效的氧还原催化剂，它具有过电位比较低，还原电流密度大等优点。 但是，由于Pt资源匮乏、价格昂贵，稳定性差，抗甲醇渗透和抗CO中毒性等缺点，制约了电池的产业化发展。因此，发展高性能、低成本氧还原催化剂对燃料电池和金属空气电池的商业化应用具有重要的现实意义。本论文以微生物为原料，开发了新型非贵金属氧还原催化剂和杂原子掺杂的碳催化剂，改善了氧还原催化性能和稳定性，主要研究成果如下：
1. 在无氧条件下，利用Shewanella loihica PV-4（S. loihica PV-4）生物调控法，以MnO4-作为唯一的电子受体及乳酸钠作为电子供体，成功制备了立方体结构的的碳酸锰前驱体。在氧气氛下高温煅烧，碳酸锰分解得到多孔的立方体结构的三氧化二锰（Mn2O3）。该立方体Mn2O3作为电催化剂显示出优异的氧还原催化性能、良好的稳定性以及抗甲醇毒性。分析认为，由于Mn2O3分子中氧和锰重叠的分子轨道有利于电子的传输，和多孔结构利于氧分子的吸附、扩散的协同作用，极大地改善了氧还原催化性能。该生物法制备三氧化二锰反应条件温和，为过渡金属氧化物电催化剂的低成本制备提供了新的途径。
2. 首次以S. loihica PV-4作为前驱体，利用一步高温裂解法成功地制备了N、P、S和Fe原子共掺杂的碳材料催化剂（HQDC）。S. loihica PV-4是一种革兰氏阴性菌，长度为1~2μm，直径为100~300nm，极易快速繁殖和生长。该菌含有大量的血红蛋白、磷脂、脂多糖、脂蛋白等，因此，它们不仅可最为碳的前驱体和骨架，还可以作为杂原子氮、磷、硫和铁的重要来源。该HQDC催化剂显示出比Pt催化剂正的起始还原电位、半波电位，，在碱性溶液为一步四电子还原过程。此外，HDQC催化剂具有比Pt催化剂好的稳定性、抗甲醇和CO毒性，有望替代商业铂碳催化剂。