Fe-N-C氧還原電催化劑的設(shè)計(jì)制備及性能研究.pdf

1、電化學(xué)氧還原反應(yīng)在燃料電池和金屬-空氣電池等可再生能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中扮演著重要作用。緩慢的氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)需要催化劑。到目前為止，鉑貴金屬是活性最高的氧還原催化劑。然而，昂貴的價(jià)格，對(duì)甲醇和CO敏感和穩(wěn)定性差阻礙其大規(guī)模廣泛應(yīng)用。為突破這個(gè)瓶頸，很多研究工作致力于探索具有高活性和穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑。在已發(fā)現(xiàn)的不含貴金屬的催化劑中，過渡金屬和氮摻雜的碳材料(M-N/C)被認(rèn)為是特別有前途的氧還原催化劑，因?yàn)樗鼈兊脑刎S度高、低成本、

2、低環(huán)境影響和較高的活性。本論文主要主要是針對(duì)鐵和氮共摻雜碳材料的設(shè)計(jì)、合成和性能進(jìn)行了深入研究。本論文具體內(nèi)容如下:
　　選擇兩端含吡啶氮的有機(jī)分子btcpb作為配體與鐵(Ⅱ)配位，形成類似配位聚合物的配合物，在不需要外加碳載體的情況下，煅燒得到自支撐Fe-N/C催化劑。結(jié)果表明，700℃煅燒的催化劑(Fe-N/C-700)活性最好。堿性條件下，半波電勢840 mV，高于商業(yè)鉑-碳催化劑;酸性條件下，起始電位和半波電位均可比與商業(yè)

3、Pt/C催化劑。同時(shí)，該催化劑在堿性和酸性溶液中都顯示了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和良好的甲醇耐受性能。除此之外，該材料充當(dāng)鋅-空電池的空氣陰極，在5 mAcm-2電流密度時(shí)，電池的容量達(dá)到727 mA hg-1。持續(xù)放電110h，也沒有明顯電壓損失，表明該材料具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。
　　報(bào)道了Fe3C納米顆粒修飾，金屬鐵和氮摻雜碳的復(fù)合物的簡單高效大規(guī)模制備，以鐵-鄰菲羅琳配合物和二氰二胺為前驅(qū)物，高溫煅燒。800℃條件下得到的催化劑顯示出

4、極好的氧還原活性，堿性溶液中的起始電位和半波電位高達(dá)0.99和0.86 V，遠(yuǎn)高于商業(yè)鉑-碳。并且，在酸性溶液中，活性可比與鉑-碳。更顯著的是，該復(fù)合材料更好的穩(wěn)定性和甲醇耐受性。這個(gè)結(jié)果說明該催化劑是最具前途取代鉑-碳貴金屬材料之一。同時(shí)，用該復(fù)合物做為鋅-空氣電池陰極時(shí)，電池傳遞出比Pt/C更高的電壓和能量密度。
　　設(shè)計(jì)了一種新穎的鐵基配位聚合物，制備鐵和氮元素共摻雜的碳(Fe-N/C)催化劑。四吡啶吩嗪(tpphz)充當(dāng)與

5、鐵配位的橋接配體，同時(shí)作為催化劑的氮和碳源。高溫700℃熱解得到的催化劑(Fe-N/C-700)在堿性介質(zhì)中顯示了最高的電催化ORR活性，即比商業(yè)Pt/C更正的的起始電位(992 mV)和半波電位(826 mV)。同時(shí)，在酸性介質(zhì)中，最優(yōu)Fe-N/C-700催化劑也顯示了優(yōu)秀的催化性能，活性與商業(yè)Pt/C相當(dāng)。此外，F(xiàn)e-N/C-700催化劑顯示極強(qiáng)的穩(wěn)定性，在8000次循環(huán)后，在堿性和酸性中的半波電勢分別只有19 mV和27 mV的損