前言：

"随着人类对能源需求的不断增长和对环境质量要求的不断提高，清洁能源在能源消耗中日益成为主要的选择。传统的火力发电需要燃烧大量的化石燃料，排放大量的污染物，其能量转化流程是化学能→热能→机械能→电能，能量转化效率很低。燃料电池是一种不经过燃烧、将物质的化学能直接转化为电能的电化学装置。燃料电池的放电不需要经过热功转换的过程，其能量转化不受卡诺循环的限制，因此能量利用效率远高于热机。同时，燃料电池的产物比较清洁，对环境的影响较小。由此可见，燃料电池是一种清洁、高效的能量转换装置，拥有广阔的发展前景。

低温燃料电池技术在近年来取得了快速的发展。低温燃料电池的运行温度通常只有几十摄氏度，这有利于减小能量损失，并便于其日常维护。低温燃料电池采用聚合物电解质，这赋予它较好的可移动性，既可用于交通运输，也可用于便携式设备的供电。低温燃料电池所采用的燃料可以是氢气，也可以是醇类等有机小分子物质。由于运行温度较低，低温燃料电池的催化剂通常采用负载型贵金属催化剂。为提高燃料电池活性组分的利用率，需要将贵金属制成高分散的纳米粒子，并均匀地负载于载体材料上。这就要求载体材料具有较大的比表面积和较好的分散性。此外，燃料电池的电化学反应伴随着电子转移，这又要求载体材料具有较高的电子导电性。

碳材料具有优异的电子导电性和良好的分散性能，是燃料电池催化剂较为理想的载体材料。常见的碳载体包括炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯及规整介孔碳材料等。这些碳载体都具有较大的比表面积和良好的导电性，已被广泛应用于电催化领域。此外，不同的碳载体又有各自的特点。例如炭黑载体主要由无定形碳构成，其多孔结构十分有利于纳米金属粒子的负载与分散，其表面官能团对纳米金属粒子具有锚定作用；但炭黑的耐腐蚀性稍差，特别是作为阴极催化剂载体时，在高电位下长期运行时会发生腐蚀，导致纳米金属粒子的团聚，降低了催化活性。碳纳米管、石墨烯等材料具有石墨表面结构，其耐腐蚀性较好；但其光滑的表面使得负载的纳米金属粒子易于发生迁移和聚集，也会造成催化剂电化学表面积的减小和催化活性的降低。

为充分发挥碳载体材料的自身优势，并使其性能更加完善，研究者们通过对碳载体进行功能化处理，使其更加有利于纳米金属粒子的分散和负载，并利用协同效应进一步提升催化剂的活性，增强催化剂的耐久性。①改变碳载体对催化剂纳米金属粒子的分散性能：在催化剂的制备过程中，通过在碳载体表面引入均匀分布的特征官能团，利用这些官能团与催化剂金属前驱体之间的相互作用，使金属前驱体均匀地分布在这些官能团的周围，然后在还原剂的作用下，原位还原成尺度均一且分散均匀的纳米金属粒子。②建立碳载体与催化剂活性组分之间的协同相互作用：在碳载体表面引入特征官能团，利用官能团与纳米金属粒子之间的配位相互作用，增强催化剂的活性和稳定性。还可以通过高温热解等方式在碳载体的表面引入杂原子，如氮掺杂、硫掺杂等。利用这些表面杂原子与催化剂纳米金属粒子之间的电子相互作用，实现催化剂活性和耐久性的改善。③优化碳载体的形貌和孔隙结构：通过自组装过程、模板法等途径，在碳载体的表面构建特定的形貌特征和孔隙结构，一方面可以阻止碳载体本身的堆叠和聚集，使其表面得以充分利用，并有效地改进催化剂的传质性能；另一方面可以在碳载体表面形成半封闭的孔结构，从而抑制催化剂活性组分的迁移和聚集，延长催化剂的使用寿命。

综上所述，通过对电催化剂的碳载体进行功能化处理，既可以保留其原有的优点，又能够在不同方面对其进行性能优化，使之更加适应燃料电池催化剂的要求。碳载体的功能化使低温燃料电池催化剂在纳米金属粒子的分散性、催化剂的活性、抗中毒能力及稳定性等方面都得到了显著的改善，这对于燃料电池这种清洁高效的新型电源的快速发展具有重要意义。

笔者长期从事低温燃料电池催化剂的制备和性能改进工作，对碳载体的改性和功能化进行了较为深入的研究。书中引用了笔者及研究组在国内外期刊发表的研究论文，也引用了部分其他研究者发表的相关研究论文。本书共分6章。第1章对电催化剂与碳载体进行了简要介绍。第2章探讨了碳载体的共价功能化对电催化剂性能的影响。第3章探讨了碳载体的非共价功能化对电催化剂性能的影响。第4章至第6章分别阐述了共轭导电聚合物、有机物热解产物以及无机材料的功能化作用。本书第1～4章由杨丽丽撰写，第5、6章由陈维民撰写。由于作者水平有限，书中不可避免地存在不足之处，望广大读者批评、指正。

著者

2021年2月

目录：

"第1章电催化剂与碳载体

1.1电催化剂及其载体001

1.2碳载体的分类002

1.2.1无定形碳002

1.2.2石墨型碳002

1.2.3有序介孔碳006

1.3碳载体的功能化007

参考文献007

第2章碳载体的共价功能化对电催化剂性能的影响

2.1碳载体的表面氧化011

2.2碳载体的巯基功能化020

2.3碳载体的羧基功能化024

2.4碳载体的磺酸基功能化025

2.5碳载体的氨基功能化029

2.6碳载体的其他共价功能化方法034

参考文献036

第3章碳载体的非共价功能化对电催化剂性能的影响

3.1阴离子型聚合物的功能化作用041

3.1.1聚苯乙烯磺酸的功能化作用041

3.1.2全氟磺酸树脂的功能化作用043

3.2阳离子型聚合物的功能化作用044

3.2.1聚二烯丙基二甲基氯化铵的功能化作用044

3.2.2聚乙烯亚胺的功能化作用058

3.2.3聚烯丙基胺盐酸盐的功能化作用060

3.3生物大分子的功能化作用061

3.3.1壳聚糖的功能化作用061

3.3.2脱氧核糖核酸的功能化作用072

3.3.3聚多巴胺的功能化作用079

3.4离子液体的功能化作用083

3.5其他材料的非共价功能化作用085

参考文献090

第4章共轭导电聚合物的功能化作用

4.1聚苯胺的功能化作用094

4.2聚吡咯的功能化作用105

4.3复合导电聚合物的功能化作用114

4.4其他导电聚合物的功能化作用116

参考文献121

第5章有机物热解产物的功能化作用

5.1有机分子的热解124

5.2金属有机骨架材料的热解128

5.3杂原子的引入131

5.3.1氮原子的引入132

5.3.2硫原子的引入146

5.3.3磷原子的引入149

参考文献153

第6章无机材料的功能化作用

6.1杂多酸自组装结构的功能化作用156

6.2杂多酸-聚合物功能化作用170

6.3多孔氧化硅的功能化作用177

6.4其他无机材料的功能化作用183

参考文献189