ACS Nano: 研究發現“Fe?N 摻雜碳”優異的催化活性可替代傳統商用“Pt/C”催化劑

echo 7年前 (2016-06-04) 6769瀏覽

H0S{KQZCX8Z3T()EUT[SM@O

西班牙國家研究委員會（CSIC）的研究人員發現“Fe?N 摻雜碳” (Fe?N?CC)催化劑是傳統鉑催化劑的有效且成本更低的替代品。堿性離子交換膜燃料電池與 作為陰極催化劑的Fe?N 摻雜介孔碳球組裝在一起，可提供與商用 Pt/C相匹配的電流和功率密度，這充分證明了 Fe?N 摻雜碳催化劑的實用性。

痕量鐵中高比表面積的N 摻雜介孔碳球在堿性和酸性條件下的氧化還原反應過程中，都表現出優秀的催化活性。在堿性條件下，它表現出比商業用的 Pt/C更高的初始電位（0.94 V vs RHE) 和半波電位 (0.83 V vs RHE)；而在酸性介質中，其初始電位與商業用的過氧化氫的產率低于 10%的 Pt/C的初始電位相當 。

Fe?N 摻雜碳催化劑具有優良的催化活性且性能穩定性（在0.6至1.0VvsRHE 之間能循環3500個周期），這種穩定性來源于鐵與氮之間的高度協調性。此外，與商業用的Pt/C相反，新開發的電化學催化劑是不受酸性和堿性介質中甲醇的交叉效應的影響的。在很多的相關的酸性介質中，Fe?N 摻雜碳優異的催化活性可歸因于各種化學反應的組合 (吡啶 N，四元N和 Fe?N 配位) 和結構特性 （表面積大，介孔結構開放和擴散路徑短），這些特性保證了催化劑的高活性、催化部位能充分接觸以及動力學上實現快速傳質。下文的圖文導讀就對這種催化劑的特性進行了形象的描述。

圖文導讀：

圖一：Fe-N摻雜中空碳球的合成過程示意圖

RZY_]1N3_K0HVL{8$M]QECQ

圖一：為合成多孔中空碳球，研究人員由介殼和核心組成其結構的二氧化硅粒子為模板，以吡咯為炭前體和 N 摻雜劑。二氧化硅粒子的氣孔浸漬在 FeCl3溶液中，然后滲透在吡咯蒸氣中迅速聚合形成聚吡咯。隨后，二氧化硅?聚吡咯復合材料碳化，硅框架和大部分的鐵被溶化在氫氟酸中，最終形成 Fe?N 摻雜碳。

圖二：中空碳球的掃描電鏡圖及其孔隙尺寸分布圖

3RQ6W4HXK{71N[Q{K6T$VX4

圖二：(a)為中空碳球的掃面電鏡圖片 (插圖： 為由多于200個粒子統計得到的粒徑分布)； (b) 中空碳球的高倍掃面電鏡圖片；（c）為 采用KJS(Kruk?Jaroniec?Sayari)分析法的孔隙尺寸分布圖，其內部插圖為應用于 N2 吸附分支的αs 圖； (d) 為Fe?N?CC的N 1s 級譜的XPS（X射線光電子能譜法）圖。

圖三：Fe-N-CC中的鐵和氮濃度分布

1P$QOUU)255PTY3MR((%_`3

圖三：a圖為Fe-N-CC碳材料的掃描電鏡圖片 ；b 圖為 相應于a圖中紅線處的鐵和氮的濃度分布。

圖四：Fe?N?CC 和 Pt/C 催化劑在不同條件下的 RDE （旋轉圓盤電極）極化曲線與電子轉移數量和過氧化氫產量的對比

R~HNL(X}WPFWU}[PD0WN9AI

圖四：(a-b)圖為在1600 轉/分條件下，Fe?N?CC 和 Pt/C 催化劑在不同環境中的 RDE （旋轉圓盤電極）極化曲線的對比，其中（a) 為0.1 M（mol/L）的氫氧化鉀； (b) 為0.5 M 的硫酸。（c-d）圖為Fe?N?CC 碳球和 Pt/C 催化劑在不同環境下的電子轉移數量和過氧化氫產量 的對比，其中（c)為0.1 M 氫氧化鉀，（d) 為0.5 M的硫酸。Fe?N?CC 和 Pt/C催化劑的催化劑荷載均為0.1 毫克每平方厘米 。

圖五：氰離子對線性掃伏安法 (LSV) 的測試結果的影響

ZZDLT7C~J)4NHG]C03RD]MF

圖五：黑色線和紅色線分別表示：沒有添加氰離子和添加氰離子（10mM KCN）的情況下，在氧氣氛圍中以1600轉/分的轉速、10毫伏每秒的條件下的線性掃伏安法 (LSV) 的測試結果。

圖六：循環周期及甲醇對極化曲線的影響

($[X]3W8P%BRM`1HE$4PHG6

圖六：（a-b）為在經過3500次循環使用后，Fe?N?CC 和 Pt/C在1600轉/分的轉速，氧氣氛圍中的線性掃伏安法 (LSV) 的測試結果 對比，（a)為0.1M 氫氧化鉀環境， (b) 為0.5 M 硫酸環境；（c） 圖為0.1M的氫氧化鉀的氧飽和溶液中， Fe?N?CC 和 Pt/C 催化劑在0.68V電壓下，以1600轉/分的恒定轉速運行超過1000秒之后的計時響應比較（箭頭指示的甲醇加入）；(d)圖為 Fe?N?CC 在 0.5 M 硫酸的氧飽和溶液中加2M甲醇（黑色） 和不加甲醇（紅色）的極化曲線。

圖七： Fe-N-CC 和 Pt/C的極化曲線和功率密度的對比

3C0NCYW8161`YK{Z8DTK({V

圖七：以 Fe-N-CC 和 Pt/C為陰極催化劑（0.2毫克每平方厘米）的堿性交換膜燃料電池在50 ℃ 時的極化曲線和功率密度圖。

原文參考鏈接：Fe?N-Doped Carbon Capsules with Outstanding Electrochemical Performance and Stability for the Oxygen Reduction Reaction in Both Acid and Alkaline Conditions

感謝材料人編輯部提供素材

標簽：
分享到