铁掺杂碳基材料的制备及其电催化性能的研究

来源 :陕西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:atom1999
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化石能源的燃烧带来了严重的环境污染问题,而且化石能源属于不可再生能源,这迫使人们寻找新的能源体系。氧气还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR),是一个涉及到4个电子转移的反应过程,是燃料电池及金属空气电池等清洁高效的新能源转化装置的半反应。但是它在反应动力学上是非常缓慢的,这严重制约了这些新能源转化装置的发展。至今金属Pt催化剂依然是ORR最常用的商业化催化剂,但是它稳定性较差、价格昂贵而且在地球上储量非常少。过渡金属氮掺杂的碳材料(M-N-C)是一类非常有潜力的非贵金属ORR催化剂,具有高的催化活性,且有比Pt/C催化剂更高的稳定性。本文以二维沸石咪唑酯骨架结构(Zeolitic imidazolateframeworks,ZIFs)材料为前驱体,引入了不同的铁(Fe)源,设计了合理的制备途径,最后得到了两种不同的Fe基氮掺杂的多孔碳材料,实现了高性能ORR催化剂的制备,并初步探究了其催化反应的机理。主要研究内容如下:(1)制备了蛋黄-蛋壳(yolk@shell)结构的ZIF-L@ZIF-8材料,成功将5,10,15,20-四苯基卟啉铁(FeTPP)引入含锌和钴的ZIF-L@ZIF-8中,得到了FeTPP负载的ZIF-L@ZIF-8材料。高温热解后,得到FeCo双金属氮掺杂的多孔碳材料(FeCo-C/N),FeCo-C/N材料具有良好的ORR催化活性,起峰电位为0.946 V,半波电位为0.864 V,几乎可以和商业的Pt/C催化剂相媲美。以FeCo-C/N催化剂组装成的锌空电池表现出良好的充放电性能和稳定性,其功率密度达到397.25 mW cm-2,是目前报道的锌空电池中最好的非贵金属ORR催化剂之一。(2)使用了限域空间调控二维ZIF-L的方法制备具有叶子状二维形貌的Fe基氮掺杂的多孔碳材料(Fe-C/N)。首先加入乙酰丙酮铁到以锌作为金属中心的Zn-ZIF-L合成体系中,制备了 Fe负载的ZIF-L材料为前驱体。通过包覆介孔二氧化硅(mSiO2)的方法,实现了限域空间调控二维ZIF-L高温热解,得到了具有叶子状二维形貌的Fe基氮掺杂的多孔碳材料(Fe-C/N)。通过ORR性能测试,Fe-C/N催化剂在碱性介质中具有良好的ORR催化性能和稳定性,其半波电位达到0.907 V,比商业的Pt/C催化剂的性能更加优异。
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