燃料电池具有许多优势，其中最显著的就是发电效率较高。若将排出的燃料进行重复利用，中、高温燃料电池的综合效率则可达70%-80%；且由于其燃料为含氢气体为主，这大大减少了CO2在空气中的排放，将对缓解温室效应有很大的帮助。而且它几乎不排放氮化物和硫化物，其反应产物为水，因而减少了对环境的污染。

1。1。2  燃料电池分类

   燃料电池依据电解质类型来分类，可以分为五大类，即，①固体聚合物膜燃料电池：运行温度必须低于80℃，其电解质为质子交换膜。②磷酸燃料电池：电解液为磷酸。③固体氧化物燃料电池：运行温度约1000℃，电解质为离子传输型氧化物陶瓷。④碱性燃料电池：运行温度需低于90℃，以30%的KOH水溶液作为电解液。⑤熔融碳酸盐燃料电池：工作温度为650℃左右，采用熔融态的Li/K碳酸盐作为电解液[7]。

其中,因为氧在碱性介质中的还原效率高于酸性，使得碱性燃料电池的电能转化效率最高,最高可达70%,并且在碱性介质中可以使用非铂催化剂,这也为我们在本实验中用碳负载过渡金属作催化剂提供了可能。因此本次试验研究的即是在碱性介质中的催化氧还原反应（ORR）性能。

1。1。3  碱性燃料电池反应原理

在本实验中，由于采用碱性电解质体系，因此其反应即是电解水的逆过程，具体反应为：

负极：H2 +2OH-→2H2O +2e-

正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-

电池反应：H2+1/2O2==H2O

具体反应原理图如下图1-1所示:

 碱性燃料电池反应原理简图

1。2  石墨烯

1。2。1  石墨烯简介

石墨烯(Graphene)是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，常温下其电子迁移率超过250 000 cm2/vs，高于纳米碳管。而电阻率只约1 Ω·m，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。 由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。机械剥离制得的规整石墨烯性能优越但实验条件较为苛刻，电催化领域的石墨烯主要来源于Hummers法制得的氧化石墨进行再还原，在一定程度上继承了石墨烯稳定的化学结构，优良的导电性能和大的比表面，同时氧化过程留下的含氧官能团可作为其他材料进行抛锚负载的活性点并减轻石墨烯的团聚。来*自-优=尔,论:文+网www.youerw.com

 石墨烯结构

1。2。1  氮掺杂石墨烯

石墨烯性能的理论计算值是基于结构规整的单层石墨烯，对于Hummers法制得的石墨烯，在还原过程极易再次团聚，而此时其比表面积会大大降低，石墨烯层数的增加也影响了电解质，电子离子等的传输，与我们想要的优异的电催化性能是相悖的，因此，为了保持原材料的优异性能，自然需要解决这一缺陷。研究人员发现，向原材料中加入一些其它物质，如石墨烯的掺杂等可以很好的阻止片层的团聚。而且由于活性功能基团的引入，大大增加了电催化的活性位点，对增强性能有很大帮助。

掺杂时选择不同的方式或者选择不同的掺杂元素对石墨烯的结构性能有很大差异，而其中氮原子的掺杂在改性方面有很显著的作用。掺杂后，氮原子更易吸附在锯齿形石墨烯纳米结构的边缘，使其电子结构发生显著的变化，从而使结构中的电子态密度大大增加，因此也就也减小了能量带隙，还增强了原材料的导电性能，并且其结构中的N与周围C环也形成了新的催化位点。