燃料电池是一种非常有前景的新能源转换设备,其涉及的电化学反应如在阳极发生的甲醇氧化反应(MOR)、在阴极发生的氧还原反应(ORR),以及电催化析氢反应(HER)都是目前研究的重点方向。目前贵金属Pt是已知最有效的电催化剂,但是由于Pt的稀缺昂贵,造成燃料电池成本较高,致使其难以大规模应用。为此,人们提出多种方案解决这个问题,如用低Pt或非Pt催化剂代替纯Pt催化剂。尽管众多低Pt或非Pt催化剂已经研制出来,但其电化学性能(如活性、稳定性)有待进一步提升。探索新的合成方法和深入研究电催化剂结构与性能的关系,不仅有重要的科学意义,还对燃料电池的应用有重大的实际意义。本文旨在探索通过微反应合成和调控低铂PtFeCe纳米杂化物催化剂和非铂Fe单原子及FeCo核壳结构催化剂,研究组分构成、界面微结构、电子结构等因素对于纳米颗粒性能的影响。具体内容如下:1、通过程序微流控设备制备了具有杂化结构的PtFe-PtxFeyCezOj纳米粒子。PtFe-PtxFeyCezOj纳米粒子的整体尺寸约为2 nm,由富含PtFe的内核和富含CeOx的外层构成了具有原子浓度梯度的微结构,具有多棱角形状和粗糙表面。通过调整CeOx外层的厚度,调控纳米粒子的微结构,证明适当的CeOx外层可防止内部的PtFe在强酸电解质中腐蚀和溶解,提高了纳米粒子的微观结构稳定性和催化反应耐久性。电化学性能测量表明,设计Fe:Pt:Ce原子比为1:1:1的PtFe-PtxFeyCezOj纳米粒子在MOR、ORR和HER中的电化学催化性能远远超过商业Pt/C催化剂。从根本上说,富含PtFe合金的内核与富含CeOx的外层之间的界面协同效应和Pt、Fe、Ce原子之间的电子轨道杂化的共同作用提高了 PtFe-PtxFeyCezOj纳米粒子的电催化性能。这项研究通过混杂稀土金属氧化物形成稳定的耐酸外层,为设计和合成微结构稳定的高效多功能纳米催化剂提供了一种新方法。2、使用超声雾化微反应法规模化制备了单原子FeNC系列催化剂。超声雾化微反应可以得到均质的反应前体,这种均质的反应前体进一步与热解酸浸过程结合,可以得到纯化后的单原子FeNC催化剂(FeNC SACs)。对反应各阶段产物进行表征分析,得到的FeNC SACs微结构,证实Fe原子单独分散在碳黑上。同步辐射和XPS表征证实单原子Fe与4个吡啶N配位。电化学表征表明具有可变价态的单原子Fe活性位点有助于电子转移,使FeNC SAC具有出色的电化学ORR活性,同时二次煅烧极大的提升了 FeNC SACs的稳定性。当FeNC SACs应用在自制超薄锌-空气电池的阴极催化剂时,测得的开路电压为1.43 V,大大高于商业Pt/C催化剂的开路电压。这项研究为批量化合成高效单原子催化剂提供了一种简单的新方法。3、使用超声雾化微反应法制备了氮碳掺杂的CoFe@CoFe2O4核壳纳米粒子。通过调整Fe和Co元素比例,得到了一系列高性能FeCo电催化剂。以Fe-N结合能作为Fe电子结构的指标,通过对XPS测试结果进行对比发现随着Co 比例的增加Fe-N结合能降低,造成Fe周围电子密度提升。将Fe活性位点的电子结构与ORR性能测试结果建立联系,证实经过电子结构优化CoFe@CoFe2O4表现出了远超商业Pt/C催化剂的ORR性能,包括半波电位、起始电位、动力学电流密度、极限电流密度。利用此体系得到了较为明显的结构-性能关系,为通过调控电子结构提升非Pt催化剂性能提供了新的思路。