杂原子修饰多孔铁钴氮碳基氧还原催化剂的电化学性能分析
发布时间：2021-08-07 20:56
受限于商用铂基催化剂稳定性差和生产成本高等缺点,燃料电池以及相关绿色能源的推广进展缓慢。因此,研发高效、廉价的替代型氧还原电催化剂,是电催化领域的研究热点。本研究以催化活性较好的铁钴氮碳基材料为基础,通过外加杂原子的方法,制备了一系列杂原子修饰多孔铁钴氮碳基氧还原催化剂。通过对所制备材料的组成和形貌进行表征,并结合其在碱性电解质中电催化氧还原的活性、稳定性和抗甲醇能力,探究了杂原子修饰与材料催化性能之间的潜在规律。所制备的FeCo/NFC催化剂,在碱性条件下半波电位为0.84 V,在0.5 V处电子转移数为3.85,HO-2中间产物产率为7.61%,表明此催化剂具有与商业铂碳相近的催化效果和近四电子的催化选择性。此外,FeCo/NFC催化剂还具有优良的催化稳定性和抗甲醇能力,作为商业铂碳的替代品,在燃料电池领域具有良好的应用潜力。
【文章来源】：分析化学. 2020,48(11)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
杂原子修饰多孔铁钴氮碳基氧还原催化剂的制备示意图
采用透射电镜(TEM)对所制备材料的结构形貌进行表征。如图2A所示,FeCo/NC具有多孔碳形貌,这是由于材料内部的金属粒子被酸刻蚀所致。高分辨TEM图像(图2A插图)表明,多孔碳层具有明显的晶格,其晶格间距为0.34 nm,对应于石墨碳的(002)晶面[13]。同时,FeCo/BNC、FeCo/NPC和FeCo/NFC的TEM图像(图2B～2D)呈现出与FeCo/NC相似的形貌结构,说明杂原子掺杂对材料的结构形貌没有明显影响。FeCo/BNC、FeCo/NPC和FeCo/NFC的元素分布图像(图3)表明,Fe、Co、N、C以及修饰的杂原子(B、P和F)均匀分散在所制备的材料中; 同时,Fe和Co的分布图像中并未出现明显增强的信号,说明采用杂原子进行修饰的过程不会因诱发金属粒子的留存导致材料多孔性降低。图3 FeCo/BNC(A)、FeCo/NPC(B)和FeCo/NFC(C)中元素分布的图像
图2 FeCo/NC(A)、FeCo/BNC(B)、FeCo/NPC(C)和FeCo/NFC(D)的TEM图像,插图分别为对应的高分辨TEM图像采用氮气吸附-脱附测试表征杂原子修饰对材料比表面积和孔径分布的影响。所制备材料均呈现出IV型等温曲线(图4A),明显的滞后环说明材料中存在大量介孔。FeCo/NC、FeCo/BNC、FeCo/NPC以及FeCo/NFC的比表面积分别为577.7、456.1、850.3和691.4 m2/g。相较于FeCo/NC,FeCo/BNC比表面积的降低主要是由于对羟基苯硼酸在碳化过程中生成部分残余碳,导致材料多孔性下降(图4B)[14]。与此相反,植酸可与Fe、Co进行配位,生成比表面积较高的碳化产物,FeCo/NPC的比表面积增加[15]; NH4F不仅能够进行氟掺杂,热解过程中产生的氨气也能刻蚀碳基骨架,改善FeCo/NFC的多孔性[16, 17]。材料的比表面积与其电催化能力在一定程度上呈正相关趋势,这是由于较高的比表面积能促进催化活性中心的暴露,并加速催化过程中的物质传递,从而增加活性中心与催化对象的接触概率; 同时,比表面积的增加也有利于提升材料的导电性[18]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]银耳状Fe-N-C复合催化剂的制备及催化氧还原性能研究[J]. 黄燕平,苑红艳,张健,杨亚辉,刘洪涛. 分析化学. 2017(09)
本文编号：3328527
【文章来源】：分析化学. 2020,48(11)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
杂原子修饰多孔铁钴氮碳基氧还原催化剂的制备示意图
采用透射电镜(TEM)对所制备材料的结构形貌进行表征。如图2A所示,FeCo/NC具有多孔碳形貌,这是由于材料内部的金属粒子被酸刻蚀所致。高分辨TEM图像(图2A插图)表明,多孔碳层具有明显的晶格,其晶格间距为0.34 nm,对应于石墨碳的(002)晶面[13]。同时,FeCo/BNC、FeCo/NPC和FeCo/NFC的TEM图像(图2B～2D)呈现出与FeCo/NC相似的形貌结构,说明杂原子掺杂对材料的结构形貌没有明显影响。FeCo/BNC、FeCo/NPC和FeCo/NFC的元素分布图像(图3)表明,Fe、Co、N、C以及修饰的杂原子(B、P和F)均匀分散在所制备的材料中; 同时,Fe和Co的分布图像中并未出现明显增强的信号,说明采用杂原子进行修饰的过程不会因诱发金属粒子的留存导致材料多孔性降低。图3 FeCo/BNC(A)、FeCo/NPC(B)和FeCo/NFC(C)中元素分布的图像
图2 FeCo/NC(A)、FeCo/BNC(B)、FeCo/NPC(C)和FeCo/NFC(D)的TEM图像,插图分别为对应的高分辨TEM图像采用氮气吸附-脱附测试表征杂原子修饰对材料比表面积和孔径分布的影响。所制备材料均呈现出IV型等温曲线(图4A),明显的滞后环说明材料中存在大量介孔。FeCo/NC、FeCo/BNC、FeCo/NPC以及FeCo/NFC的比表面积分别为577.7、456.1、850.3和691.4 m2/g。相较于FeCo/NC,FeCo/BNC比表面积的降低主要是由于对羟基苯硼酸在碳化过程中生成部分残余碳,导致材料多孔性下降(图4B)[14]。与此相反,植酸可与Fe、Co进行配位,生成比表面积较高的碳化产物,FeCo/NPC的比表面积增加[15]; NH4F不仅能够进行氟掺杂,热解过程中产生的氨气也能刻蚀碳基骨架,改善FeCo/NFC的多孔性[16, 17]。材料的比表面积与其电催化能力在一定程度上呈正相关趋势,这是由于较高的比表面积能促进催化活性中心的暴露,并加速催化过程中的物质传递,从而增加活性中心与催化对象的接触概率; 同时,比表面积的增加也有利于提升材料的导电性[18]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]银耳状Fe-N-C复合催化剂的制备及催化氧还原性能研究[J]. 黄燕平,苑红艳,张健,杨亚辉,刘洪涛. 分析化学. 2017(09)
本文编号：3328527
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