推动氢能及燃料电池技术的快速发展是中国未来能源战略中十分重要的一环.燃料电池作为一种可以将化学能直接转化为电能的装置,能够以极高的效率进行能量转化.这其中,质子膜燃料电池在各个应用场景均具有不俗的优势,是*备实际应用价值的器件之一.然而,用于质子膜燃料电池的电极催化剂通常使用贵金属铂组成.鉴于贵金属铂储量稀缺,价格昂贵,质子膜燃料电池的大规模商业化迟迟无法推进.催化剂成本的控制对于质子膜燃料电池的商业化意义重大,目前主要有两类解决方案:寻找非铂催化剂或大幅降低铂用量.基于此,本文以降低燃料电池电极催化剂的成本为主线开展了如下研究:论文第一章简单介绍了氢能源产业,燃料电池及其分类,同时针对铂基质子膜燃料电池催化剂及其非铂替代材料的发展现状进行了概述.论文第二章主要围绕用于燃料电池阴极氧气还原反应(Oxygen reduction re-action,ORR)的非贵金属-氮-碳材料(M-N-C)中活性位点的理解展开.在M-N-C催化剂的制备过程中,通常需要高温热处理来构建活性位点,因此在该类催化剂体系中通常有较高的不均匀性,导致研究者们对于催化剂材料活性位点的结构和组成依旧不清晰.目前研究者们对于M-N-C催化剂活性位点的主要争议主要存在于如下两种结构:1)与氮配位的金属单原子位点(M-Nx)和2)碳包覆的金属纳米颗粒(M-NPs)位点

过渡金属催化的碳-碳偶联反应是当前有机化学中最重要的反应之一,是合成复杂分子的主要手段。其中,钯催化的Ullmann型偶联反应由于反应条件温和,产物易处理,底物适用范围广,在碳-碳偶联反应中占有重要地位,一直是合成联苯类化合物的有效方法,广泛用于天然产物和药物中间体及功能材料的合成。 用清洁环保型反应介质替代传统的有机溶剂是绿色化学重要的研究内容。水具有无毒,便宜易得等特点,是一种理想的绿色溶剂,目前水相中的有机反应越来越受到重视。本论文研究了水相中钯碳催化的Ullmann型偶联反应,包括以下几个内容: 1.水相中钯碳催化的杂环芳卤的还原偶联反应研究。在H_2O-alcohol体系中通过Pd/C催化的还原偶联反应由3-溴噻吩高收率的得到了3,3'-联二噻吩。该方法操作简单,Pd/C可重复使用,而且无需相转移催化剂也能得到较高收率。讨论了醇、碱的种类和用量对反应收率的影响。对底物的适应范围进行了考察,由多种杂环芳卤高收率的得到了其二芳基化合物。对微波促进下的反应进行了研究,结果表明,微波的应用基本不影响反应的收率,但可以大大缩短反应时间,提高反应效率。 2.水相中钯碳催化的杂环芳烃的氧化偶联反应研究。(1)通过C-H键的氧化偶联反应由喹啉高收率合成了2,2'-联喹啉,该方法以水-PEG为溶剂,催化剂可以回收重复使用,成本低,对环境影响小。讨论了PEG的种类及比例对反应的影响。(2)通过C-H键的氧化偶联反应由2-溴噻吩高收率合成了5,5'-二溴-2,2'-联噻吩,该方法以水-DMSO为溶剂,不使用污染严重的膦配体,催化剂可以回收重复使用,成本低,对环境影响小。讨论了水与DMSO的比例以及温度时间对反应的影响。