過渡金屬(Fe、Co)、氮共摻雜納米碳催化劑的制備及其氧還原催化性能研究.pdf

1、氧還原反應是燃料電池和金屬空氣電池等電化學能量轉(zhuǎn)換裝置的關鍵反應，通常采用鉑族貴金屬作為電催化劑，但貴金屬成本高、儲量有限，制約了商業(yè)化應用。因此，研究開發(fā)非貴金屬氧還原催化劑具有重要意義。
　　本文采用廉價易得的維生素B12、血晶素為原料，利用其獨特的金屬-氮螯合結(jié)構(gòu)TM(Fe、Co)—Nx，與炭載體進行表面化合，制備了過渡金屬、氮共摻雜納米炭(TM(Fe、Co)-N-C)催化劑，研究了催化劑結(jié)構(gòu)和表面組成對氧還原催化性能的影響

2、機制;通過對催化劑孔結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，獲得了高活性的非貴金屬氧還原催化劑。
　　首先，采用維生素B12作為Co、N共前驅(qū)體，與多種炭載體(CNTs、BP2000、XC-72)分別浸漬混合，熱處理制備了系列Co-N-C催化劑，考察了炭載體對氧還原催化性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，炭載體較高的比表面積和表面較多的缺陷位有利于活性中心的擔載和分散，從而提高氧還原催化活性。電化學測試結(jié)果表明，以BP2000為炭載體制備的Co-N-C催化劑在堿性電解液

3、中具有最好的催化活性（氧還原半波電位0.784 V vs.RHE），其電化學穩(wěn)定性和抗甲醇中毒能力均優(yōu)于商業(yè)化Pt/C。
　　其次，采用血晶素作為Fe、N共前驅(qū)體，與BP2000炭載體浸漬后熱解，制備了Fe-N-C催化劑，考察了熱處理條件對催化劑形貌結(jié)構(gòu)和催化性能的影響。電化學測試表明，在堿性電解液中，800℃熱處理得到的催化劑氧還原半波電位0.839 vs.RHE，催化活性與商業(yè)化Pt/C接近，具有優(yōu)異電化學穩(wěn)定性和抗甲醇中毒能

4、力。物相結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，熱處理溫度在600℃以上時，有含F(xiàn)e的晶化相出現(xiàn);溫度升高至900℃時，主要以Fe3C形式存在。
　　最后，為了進一步提高Fe-N-C催化劑的氧還原活性和電化學穩(wěn)定性，采用酸洗和二次熱處理的方法對Fe-N-C催化劑的孔結(jié)構(gòu)進行了調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3C等晶化相在酸洗過程中浸出，促進了微孔的產(chǎn)生，大幅提高了催化劑的比表面積。電化學測試表明，催化劑經(jīng)酸洗和二次熱處理后，氧還原半波電位提高25 mV，在堿性電解