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(yīng)是燃料電池和金屬空氣電池等電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置的關(guān)鍵反應(yīng)，通常采用鉑族貴金屬作為電催化劑，但貴金屬成本高、儲(chǔ)量有限，制約了商業(yè)化應(yīng)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(jià)易得的維生素B12、血晶素為原料，利用其獨(dú)特的金屬-氮螯合結(jié)構(gòu)TM(Fe、Co)—Nx，與炭載體進(jìn)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(duì)氧還原催化性能的影響

2、機(jī)制;通過對(duì)催化劑孔結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)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(dān)載和分散，從而提高氧還原催化活性。電化學(xué)測(cè)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(xué)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?xiàng)l件對(duì)催化劑形貌結(jié)構(gòu)和催化性能的影響。電化學(xué)測(cè)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(xué)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(shí)，有含F(xiàn)e的晶化相出現(xiàn);溫度升高至900℃時(shí)，主要以Fe3C形式存在。
　　最后，為了進(jìn)一步提高Fe-N-C催化劑的氧還原活性和電化學(xué)穩(wěn)定性，采用酸洗和二次熱處理的方法對(duì)Fe-N-C催化劑的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)了微孔的產(chǎn)生，大幅提高了催化劑的比表面積。電化學(xué)測(cè)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