中科大Energy Environ. Sci.：SiO2保護殼模板法合成Fe-N摻雜碳納米纖維及其增強氧還原反應性能

【引言】

在許多儲能和轉換裝置中，電催化還原氧起著至關重要的作用。但是在酸性介質中，開發高性能碳基非貴金屬（NPM）氧還原反應（ORR）催化劑，仍然是一個巨大的挑戰。本文采用SiO₂保護殼模板法和熱液碳納米纖維和吡咯為前驅，獲得了一種經濟性很高的中孔/微孔Fe-N摻雜的碳納米纖維（Fe-N-CNFs）催化劑。

【成果簡介】

近日，中國科技大學俞書宏和梁海偉（共同通訊）作者等人通過SiO₂保護殼模板方法制備，制備了一種高活性的中孔/微孔Fe-N摻雜的碳納米纖維（Fe-N-CNFs）催化劑。SiO₂保護殼不僅可以限制了鐵的自由遷移，而且還限制了高溫熱解過程中揮發性氣態物質的捕獲，同時優化了Fe-N-CNFs催化劑的表面官能和多孔結構。與沒有SiO₂保護殼制備的催化劑相比，Fe-N-CNFs催化劑在酸性介質中具有顯著提高的ORR活性和優異的穩定性。相關成果以“SiO₂-protected shell mediated templating synthesis of Fe-N-doped carbon nanofibers and their enhanced oxygen reduction reaction performance”為題發表在Energy & Environmental Science上。

【圖文導讀】

圖 1 up-Fe-N-CNFs（頂部）和p-Fe-N-CNFs（底部）催化劑的制備示意圖

圖 2 up-Fe-N-CNFs和p-Fe-N-CNFs催化劑的顯微結構表征圖

（a）up-Fe-N-CNFs的SEM圖像；

（b）up-Fe-N-CNFs的HADDF-STEM圖像；

（c）p-Fe-N-CNFs的HADDF-STEM圖像；

（d）p-Fe-N-CNFs的元素mapping圖。

圖 3 up-Fe-N-CNFs和p-Fe-N-CNFs的孔分布和XPS圖

（a）up-Fe-N-CNFs和p-Fe-N-CNFs的氮氣脫吸附曲線圖；

（b）up-Fe-N-CNFs和p-Fe-N-CNFs的孔徑分布圖；

（c）Fe-N-CNFs催化劑的XPS譜圖；

（d）p-Fe-N-CNFs中N 1s的XPS譜圖。

圖 4 up-Fe-N-CNFs，p-Fe-N-CNFs的K-邊XANES譜圖和WT圖

（a）up-Fe-N-CNFs，p-Fe-N-CNFs和文獻中（FePc和Fe）的Fe K-邊XANES譜圖；

（b）up-Fe-N-CNFs，p-Fe-N-CNFs和文獻樣品的EXAFS的傅里葉轉換圖；

（c）Fe₂O₃的Wavelet轉換（WT）圖；

（d）Fe的WT圖；

（e）p-Fe-N-CNFs的WT圖；

（f）up-Fe-N-CNFs的WT圖。

圖 5 up-Fe-N-CNFs和p-Fe-N-CNFs的電化學性能圖

（a）up-Fe-N-CNFs，p-Fe-N-CNFs和Pt/C的CV曲線圖；

（b）up-Fe-N-CNFs，p-Fe-N-CNFs和Pt/C的LSV曲線圖；

（c）不同旋轉速率下，p-Fe-N-CNFs的LSVs曲線圖；

（d）在0.45 V vs. RHE下，p-Fe-N-CNFs和Pt/C的計時安培試驗圖。

圖 6 SCN^-對p-Fe-N-CNFs和up-Fe-N-CNFs的影響圖

（a）SCN^-（10 mM）與p-Fe-N-CNFs的ORR活性關系圖；

（b）SCN^-（10 mM）與up-Fe-N-CNFs的ORR活性關系圖。

【小結】

本文開發了一種有效的SiO₂保護殼熱解方法，合成高活性的中孔/微孔Fe-N-CNFs催化劑。與未經SiO₂保護的催化劑相比，p-Fe-N-CNFs催化劑在起始電位，半波電位和電子轉移數方面表現出很大的ORR性能。p-Fe-N-CNFs催化劑的優異的ORR性能與其較多的鐵/氮活性位點，高比表面積，分層中孔/微孔結構和高度石墨化碳密切相關。這種SiO₂保護的熱解策略，可以應用于制備其他用于析氫反應，析氧反應和非均相催化反應的具有高性能的碳基NPM催化劑。值得注意的是，本文不是采用含金屬卟啉或沸石咪唑酯骨架作為前體，而是選用價格較低的熱液碳納米纖維和吡咯為前驅。此外，這種方法將更容易擴展為制備其他金屬/N/C（Co，Ni，Mo等）催化劑或雙金屬/N/C催化劑以及其他電催化反應。

文獻鏈接：SiO₂-protected shell mediated templating synthesis of Fe-N-doped carbon nanofibers and their enhanced oxygen reduction reaction performance（Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE00673C）

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