金属卟啉类化合物电化学性质的研究目的意义及进展

金属卟啉类化合物电化学性质的研究目的意义及进展

1研究的目的及意义 (1)

2金属卟啉类化合物电化学性质的研究进展 (2)

2.1金属卟啉类概述 (3)

2.2金属卟啉电化学研究方法 (3)

2.3金属卟啉类化合物氧还原的电催化作用 (4)

2.4中心金属离子对金属卟啉催化作用的影响 (4)

2.5取代基对金属卟啉类化合物催化作用的影响 (5)

2.6不同热处理对金属卟啉类化合物催化活性的影响 (5)

2.7不同的载体对金属卟啉类化合物催化活性的影响 (6)

2.8 金属卟啉类化合物催化机理 (7)

1研究的目的及意义

随着能源危机和环境污染日益严重，开发洁净高效的供能、储能系统迫在眉睫。燃料电池由于具有清洁、高效、可连续大功率放电的特殊性能而受到人们广泛的关注，世界各国都非常重视其技术的开发和应用，大力进行基础研究并促进产业化。中国国务院2006年2月发布的国家中长期（2006～2020年）科学和技术发展规划纲要中明确地将燃料电池技术列为今后15年重点发展的前沿技术之一。世界其它各国包括美国、加拿大、德国、以色列、日本等国相继进行了一系列关于燃料电池研究和发展的计划，如美国的“FreedomCAR”计划、“加州氢公路网计划”、“氢燃料行动”（Hydrogen Fuel Initiative）等，大大促进了燃料电池技术的发展。

氧电极是燃料电池的阴极，它是决定电池性能优劣的关键因素，而氧电极的性能又主要取决于催化剂的性能。因此，寻找经济、高效和稳定的氧还原催化剂一直是研究者追求的目标。氧还原催化剂的种类较多，但是实际应用较多的是以铂或其合金为主的催化剂，虽然铂在低温燃料电池中是一种很好的氧还原催化剂，但是它价格昂贵和易被CO毒化限制了铂作为电催化剂的应用。金属卟啉化合物具有高的共轭结构和化学稳定性，它有着与催化酶相似的结构，能促进H2O2的分解，从而使电池的工作电压提高，放电容量增加，无论在酸性还是碱性条件下，对分子氧都有良好的电催化还原活性，美国电技术公司还为它们能够克服铂

促进碳基体腐蚀和氧化问题，而且它在直接甲醇燃料电池（DMFC）中避免了从负极透过的甲醇在正极反应造成正极电位损失。这使得金属卟啉成为燃料电池最有希望的氧还原催化材料，近年来逐渐成为氧还原电催化剂的研究热点，以期取代贵金属作为燃料电池氧还原催化剂。本实验创新性地使用金属卟啉的低聚物作为燃料电池的氧还原催化剂，对制备出来的金属卟啉低聚物进行表征，通过测试它们的循环伏安曲线，测试他们对O2氧还原的催化效果。通过对金属卟啉低聚物与空白溶液作比较，金属钴卟啉二聚体与钴卟啉单体比较，研究它们对O2氧还原效应的能力大小。金属卟啉低聚物作为燃料电池的催化剂与过渡金属作为燃料电池的催化剂具有更多优势，更有希望取代贵金属作为燃料电池和金属空气电池的氧还原催化剂。今后我们还将对催化剂的最佳工艺进行研究，研究与探索这一新催化剂可能出现的新现象和规律，对活性结构作进一步的推测，以及对材料可行性作出判断。

2金属卟啉类化合物电化学性质的研究进展

随着石油资源的枯竭，原油价格上升。汽车尾气的大量排放，环境污染日趋严重，可持续性绿色能源及其利用转换技术开发迫在眉睫！燃料电池和金属空气电池是高效清洁的能源转换系统，它们在电动车上的发展潜力引起国际上广泛的重视。燃料电池和金属空气电池的发展关键在于氧电极催化剂不断更新，催化剂材料的研究一直备受关注。燃料电池常用的电催化剂均以铂金属为主，铂在低温燃料电池中是一种很好的电催化剂，但它价格昂贵，储量少，易被CO 毒化(燃料气中存在的CO或直接甲醇阳极氧化时的中间产物)，限制了铂作为电催化剂。为了解决这一问题，世界各国科研工作者都在努力寻找非贵金属化合物来代替铂，例如:金属氧化物，合金和过渡金属大环化合物等。在酸性电解液中，金属卟啉是空气电极最有希望的催化剂，它能有效促进H2O2 分解,使电池的工作电压提高，增加放电容量。金属酞菁和金属卟啉化合物具有高的共轭结构和化学稳定性，对分子氧还原表现出良好的电催化活性，近几年来成为氧还原电催化剂研究热点。

2.1金属卟啉类概述

在自然界和生命体中，金属卟啉广泛存在，如：叶绿素(锌卟啉) 、血红素(铁卟啉) 、维生素B12 (钴卟啉) ，其核心结构都是卟啉的金属配合物。卟啉(porphyrin)是一个环内有空穴的大环化合物(图1) ，可容纳铁、钴、锌、镁等金属元素形成金属配合物。其通用结构如图1

:

图1卟啉结构

R1～R8 为取代吡咯，可被许多原子和基团取代，派生出更多的衍生物。

5 ,10 ,15 ,20亦称为α,β,γ,δ位，一般为苯基或取代苯基。卟啉由于具有独特的结构及性能，在许多领域有着广泛的应用。尤其在生物化学、医药化学、分析化学和光化催化等各个领域，卟啉化学的研究有了迅速的发展。国内外对其合成及应用进行了大量的研究，取得了很多科研成果。金属卟啉类物质对分子氧有很好的电催化还原作用，卟啉的过渡金属配合物是由接近平面结构的大杂环配体和处于平面中心的过渡金属离子所组成，其表面具有碱性基团时，可有效促进分子氧的还原活性。

2.2金属卟啉电化学研究方法

在卟啉的电化学测试中，主要是对每种催化剂的催化活性做出评价。可以用循环伏安法、旋转圆盘电极(RDE) 、旋转环盘电极(RRDE) 、全电池测试通过循环伏安曲线，极化曲线等反映出金属卟啉对氧还原催化过程中的变化。RDE

主要应用于半电池中的氧化还原过程中，操作在室温下进行，文献中都作了详细的描述。Michel 等通过旋转环盘电极(RRDE) ,测出5种铁剂催化剂的电子传递数目( n)和H2O2的百分含量，得到了RRDE实验最适宜的实验条件，研究得出在n > 3.9 %、H2O2 < 5 %时催化剂催化活性最好。在燃料电池测试过程中，气体扩散电极及单个电池的组装Michel等人作了详尽的介绍，在以上各方法中循环伏安法是现在测定卟啉和金属卟啉氧化还原电位使用最广泛的方法。Gojkovic等人通过循环伏安法、XPS将FeTMPP2Cl负载在碳粉上，在氩气保护下,从200～1000℃进行热处理，循环伏安曲线分别在酸性和碱性溶液中测得，从曲线明显得出，热处理温度变化过程中，循环伏安法对于金属铁离子电催化的观察要比XPS技术灵敏得多。

2.3金属卟啉类化合物氧还原的电催化作用

金属卟啉对氧还原有着催化作用，但是他们对氧还原作用非常复杂，不同的中心金属离子、卟啉环上不同取代基、不同的热处理温度、不同载体以及载体的热处理等都会影响到卟啉对氧还原的催化作用。

2.4中心金属离子对金属卟啉催化作用的影响

卟啉能与许多金属形成金属配合物，这些金属离子通常为Co、Fe、Ni 和Mn，其Co的配合物由于具有更高的活性，被研究最多。作为氧电极电还原催化剂，Fe和Co卟啉配合物被Kuwana等人和Anson等人广泛的研究。在几种催化剂材料的性能比较中发现，在活性炭上，负载钴四甲氧基苯基卟啉(CoTMPP)能体现出更高的活性，是具有应用价值的催化剂之一。进一步的研究表明，CoTMPP表现出了比LaNiO3、MnO2 等更高的催化活性。钴四苯基卟啉(CoTPP)与活性炭混合后在700℃、惰性气体保护下加热5h ，根据透射显微镜(TEM)曲线可以看出，电极的微孔在热处理之后具有更好的形态和结构。通过测定极化曲线比较发现，催化剂的活性顺序为CoTPP > Ag。此外，锰卟啉具有相当高的的初期催化活性，但是稳定性很差。其它金属卟啉配合物的催化活性远远不如钴