氮化鐵(FexN)-氮摻雜碳納米復合催化劑的制備及其電催化氧還原性能研究.pdf

1、燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)點，是理想的能量轉(zhuǎn)換裝置。其陰極氧還原反應(ORR)的效率對整個電池性能影響巨大，目前，燃料電池中使用較為廣泛的是鉑基貴金屬催化劑，但其昂貴的價格嚴重限制了它的商業(yè)化應用。因此，開發(fā)低成本、高活性及穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑是當前燃料電池領(lǐng)域的重要課題?；诖?，我們分別以氮摻雜石墨烯凝膠和聚多巴胺球為載體，以 NH3為氮源，采用高溫熱處理法構(gòu)建了“多孔氮摻雜石墨稀負載FexN”和“介孔氮摻雜碳球負載F

2、e2N”兩種氮摻雜碳基復合催化劑，不僅成本較低，也具有優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性。主要研究內(nèi)容如下：
　　1. FexN/多孔氮摻雜石墨烯復合催化劑的制備及其氧還原性能研究。
　　以氧化石墨烯(GO)和三氯化鐵為前驅(qū)體進行水熱組裝，并以 NH3為氮源對組裝的復合材料進行高溫熱處理(刻蝕)，制備出一系列多孔氮摻雜石墨烯(PNRGO)負載FexN的復合催化劑(FexN/PNRGO)t(t為NH3刻蝕時間/min)，討論了NH3刻蝕時

3、間對FexN晶相、PNRGO含量以及微納結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，進而分析材料的組成和形貌對ORR催化性能的影響。研究結(jié)果顯示，(FexN/PNRGO)60的ORR催化性能最優(yōu)，其晶相為Fe2N，PNRGO含量為24.6％，Eonset和E1/2分別為0.940和0.810 V，接近商業(yè)Pt/C，抗甲醇毒化能力和穩(wěn)定性也都明顯優(yōu)于Pt/C催化劑。
　　2. Fe2N/介孔氮摻雜碳球復合催化劑的制備及其氧還原性能研究
　　上述工作中，F(xiàn)

4、e2N為ORR催化最佳晶相，但(FexN/PNRGO)60中碳載體PNRGO含量僅為24.6%，且Fe2N納米顆粒較大，使其ORR催化性能與Pt/C相比仍有一些差距，為了進一步改善Fe2N/氮摻雜碳納米復合催化劑的氧還原性能，我們探討了Fe2N的顆粒大小以及與氮摻雜碳載體的相對含量對該類催化劑 ORR性能的影響。首先以 PDA球為載體絡(luò)合Fe3+，然后在NH3氛圍中高溫退火，構(gòu)建一系列介孔氮摻雜碳球(MNGCS)負載 Fe2N的復合催化

5、劑(Fe2N/MNGCS)t(t為除鐵時間/h)，并采用酸除鐵的方法調(diào)節(jié)Fe2N顆粒大小以及與 MNGCS的相對含量，其中超小的Fe2N納米顆粒位于 MNGCS內(nèi)部形成高效的Fe-N/C活性位點。電化學測試結(jié)果表明，除鐵4 h時，(Fe2N/MNGCS)4的ORR催化性能最優(yōu)，其Fe2N含量為2.2%，Eonset和E1/2分別為0.960和0.881 V，優(yōu)于商業(yè)Pt/C，在電解液中加入4 M甲醇后電流僅下降5.1%，且恒電位6000