氮摻雜碳載非貴金屬的氧還原催化劑研究.pdf

1、發(fā)展用于氧氣擴(kuò)散陰極(ODC)的高效電催化劑是提高包括燃料電池、金屬-空氣電池和氯堿電解、碳酸鈉電解在內(nèi)的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置性能最為重要的方法之一。然而，由于氧還原反應(yīng)(ORR)本身遲緩的動力學(xué)特征，通常會導(dǎo)致嚴(yán)重的陰極極化，這也就使得燃料電池和金屬-空氣電池的輸出電壓降低，而電解池的輸入電壓升高。長久以來，鉑基催化劑一直被公認(rèn)為是ORR最有效的催化劑，但鉑基催化劑存在價格昂貴和儲量有限等問題。近些年來，為了促進(jìn)燃料電池、金屬-空氣電池

2、和ODC電解的發(fā)展，科研工作者就開發(fā)低成本、高活性和長久穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑(NPMCs)做出了諸多努力。
　　鑒于鄰菲羅啉豐富的吡啶型氮及與亞鐵的絡(luò)合作用，本文首先以鄰菲羅啉為氮源，氧化處理的BP1000為碳源，醋酸亞鐵為制備過程的催化劑，通過先浸漬后熱解的方法，合成了一系列Fe與N摻雜的碳材料，記為Fe-N@C。對這一系列催化劑的電化學(xué)測試結(jié)果表明，它們都具有一定的ORR活性，但與Pt/C的ORR性能相比還存在一定的差距。F

3、e-N@C作為氧還原-析氧(ORR-OER)的雙效催化劑的研究中發(fā)現(xiàn)，陽極電流并非可持續(xù)的析氧電流，且導(dǎo)致ORR的起始電位和半波電位負(fù)移，XPS分析表明，在較高電位下，催化劑中有ORR活性的吡啶型氮極易于被破壞，所以它們不適宜作為氧還原-析氧(ORR-OER)的雙效催化劑。
　　而后通過簡單的直接熱解方法，分別合成了Mn、Fe、Co、Ni中的一種或多種元素修飾的氮摻雜碳材料。其中，Mn和Co的氧化物對ORR本身就具有一定的催化活性

4、，熱解過程中Co和Fe還會和N相互作用形成金屬-吡啶型氮，F(xiàn)e和Ni有助于熱解過程中碳元素的石墨化，以上這些都有利于ORR催化活性的提高。此外，本文還重點(diǎn)研究了熱解溫度對氮元素的摻雜形態(tài)和含量以及對碳材料的石墨化程度的影響。
　　循環(huán)伏安(CV)和線性掃描伏安(LSV)測試表明，800℃下合成的四種金屬修飾的氮摻雜碳載非貴金屬催化劑，標(biāo)記為MFCN/NC-800具有最優(yōu)的ORR催化性能，其起始電位和半波電位分別比商業(yè)Pt/C高54

5、mV和46 mV;旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極（RRDE）測試表明，MFCN/NC-800展示出對O2典型的四電子還原，此過程產(chǎn)生的H2O2幾乎可以忽略不計;XRD、XPS和HRTEM測試表明，優(yōu)良的電化學(xué)性能主要是得益于能單獨(dú)或協(xié)同催化ORR的吡啶型氮、石墨型碳、MnO和Fe-Co-Ni納米粒子被成功地引入了高比表面積(1908 m2·g-1)的多孔復(fù)合催化劑中。此外，此催化劑應(yīng)用于Na2CO3電解時顯示出優(yōu)異的電催化活性和長久的穩(wěn)定性，對應(yīng)于電流密