Fe-N-C催化劑的原位制備及其電催化氧還原性能研究.pdf

1、設(shè)計開發(fā)廉價高效的氧還原非貴金屬催化劑是降低燃料電池生產(chǎn)成本、加速其商業(yè)化進(jìn)程的有效途徑之一?；谶^渡金屬的氮摻雜碳(TM/N/C)材料因其良好的催化性能而被認(rèn)為最具潛力取代貴金屬催化劑的材料。目前TM/N/C催化劑面臨的主要問題是材料的生產(chǎn)工藝比較繁瑣,不僅削弱了該材料的成本優(yōu)勢,還增加了該材料可控制備的難度,使得材料的微觀結(jié)構(gòu),尤其是微納尺度下多組分界面的調(diào)控難以實現(xiàn),導(dǎo)致材料的電催化活性和穩(wěn)定性等方面難以滿足實際需求。針對上述問題

2、,本論文選取廉價易得的原料,利用原位法簡單快捷的制備出了高效的Fe/N/C核殼催化劑;通過優(yōu)化合成條件,增強材料微觀界面間的作用力,進(jìn)一步改善了材料的催化活性和穩(wěn)定性;系統(tǒng)研究了催化劑的結(jié)構(gòu)和組成與電催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系,為揭示真實催化活性中心和催化反應(yīng)機制提供了實驗依據(jù)。具體研究內(nèi)容主要是包括以下幾個方面:
　　(1)Fe/g-C3N4為單一前驅(qū)體原位法快捷制備一維的包覆鐵納米顆粒的竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管(Fe@NCNT)核殼催

3、化劑。其中核層Fe納米顆粒和殼層NCNT中的氮摻雜位點能夠協(xié)同催化氧還原反應(yīng)的進(jìn)行。制得的Fe@NCNT-900催化劑的催化電流密度高達(dá)5.19 mA/cm2且電子轉(zhuǎn)移數(shù)達(dá)3.90,表現(xiàn)出了優(yōu)異的電催化活性和高效的電流效率;經(jīng)900℃二次熱處理后,催化劑的催化性能進(jìn)一步增強;優(yōu)化的材料在經(jīng)過10000s i-t測試后,電流保持率為85.7％,表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。
　　(2)利用g-C3N4為二維自犧牲模板制備類似蓮蓬狀多級核殼結(jié)構(gòu)

4、的Fe/Fe3C@GC@NG催化劑。合成過程中,原位生成g-C3N4作為二維自犧牲模板和氮源,葡萄糖作為碳源,FeSO4·7H2O為鐵源,一步熱解原位制備得到類似蓮蓬狀多級核殼結(jié)構(gòu)的Fe/Fe3C@GC@NG催化劑。其中Fe/Fe3C@GC納米膠囊鑲嵌在石墨烯片層間形成類似三明治的結(jié)構(gòu),有效防止了石墨烯片層的堆疊,利于電荷和物料的快速傳輸;同時,多級核殼結(jié)構(gòu)的原位同步構(gòu)筑,增強了界面作用力,有利于材料的活性和穩(wěn)定性的改善。制得的 Fe/

5、Fe3C@GC@NG-20催化劑的催化電流密度超過了30%Pt/C催化劑,達(dá)到5.32 mA/cm2,電子轉(zhuǎn)移數(shù)達(dá)3.80以上,表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性;同時,6000s i-t測試后電流保持率達(dá)到91%,催化劑的穩(wěn)定性得到改善。
　　(3)以酞菁鐵為單一前驅(qū)體,利用二維自犧牲模板的合成策略一步原位制備強耦合界面的多級核殼結(jié)構(gòu)催化劑(Fe/N/G)。單一前驅(qū)體和原位法的結(jié)合使材料微觀結(jié)構(gòu)界面作用顯著增強,進(jìn)一步提高催化劑的催化活性和