廈門大學Adv. Mater.通過碳納米管交聯熱解ZIF提高質子交換膜燃料電池中的氧還原性能

引言

具有高效熱動力學能源轉化效率的質子交換膜燃料電池是一種潛在的綠色能源。由于沒有高效的氧還原非貴金屬催化劑，質子交換膜燃料電池的發展受到了限制。而由金屬有機混合物前體熱解得到的過渡金屬氮碳化物表現出了潛在的氧還原性能。目前為止，只有較少的報道研究使用熱解的ZIFs作為氧還原催化劑。

成果簡介

近日，廈門大學化學化工學院汪騁、周志有和林文斌（共同通訊）等報道了熱解鐵摻雜的ZIF-8得到Fe-N-C催化劑，對氧還原具有優異的催化性能。該團隊將鐵鋅雙金屬ZIF與碳納米管復合，通過碳納米管的交聯提高材料的導電性及質子傳輸效率，再通過熱解浸入糠醇的ZIFs，得到具有更多活性位點的催化劑。

圖文導讀

合成示意圖

上圖：鋅與鐵的前體物與2-甲基咪唑合成ZIF’，在糠醇中浸泡過夜后熱解形成ZIF’-FA-p；

下圖：鋅與鐵的前體物與2-甲基咪唑、碳納米管合成ZIF’-CNT，在糠醇中浸泡過夜后熱解形成ZIF’-FA-CNT-p。

圖1. 材料的形貌表征

（a）ZIF’的TEM圖；（b）ZIF’- p的TEM圖；（c）ZIF’- CNT的TEM圖；

（d）ZIF’-FA-CNT-p的TEM圖;（e）ZIF’- p的mapping圖;（f）ZIF’-FA-CNT-p的mapping圖。

圖2. 材料的XRD圖

圖3. ORR催化性能

上圖：ORR的極化曲線；下圖：對應的H₂O₂產率。

圖4. 材料性能

（a）左邊實心信號為極化曲線，右邊空心信號為功率密度；

（b）左邊實心信號為iR-free極化曲線，右邊空心信號為高頻電阻率；

圖5. 孔隙度表征

不同樣品的BET圖（插圖為對應的孔隙度分布圖）

結論

文章報道了通過引入碳納米管提高熱解雙金屬ZIFs后的導電性與質子傳輸效率，提高質子交換膜燃料電池的氧還原性能。該工作強調了在質子交換膜燃料電池中氧還原催化劑的分級結構對提高電子、質子傳輸的重要性。作者的這種在非貴金屬催化劑引入碳納米管提高導電性以提高質子交換膜燃料電池性能的思方法為后續的工作提供了一個新的思路。

文獻鏈接：

Networking Pyrolyzed Zeolitic Imidazolate Frameworks by Carbon Nanotubes Improves Conductivity and Enhances Oxygen-Reduction Performance in Polymer-ElectrolyteMembrane Fuel Cells （Adv. Mater. 2016, DOI: 10.1002/adma.201604556）

本文由廈門大學藍龍軒投稿，材料人網編輯整理。

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