含氮前驱体对氮杂有序介孔炭材料及其氧还原电催化性能的影响（英文）

发布时间：2017-09-15 17:02

  本文关键词：含氮前驱体对氮杂有序介孔炭材料及其氧还原电催化性能的影响（英文）

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【摘要】：燃料电池中贵金属铂的大量使用是阻碍其发展的关键因素,亟需探索高效廉价的替代型电催化剂.在目前的替代型非贵金属催化剂研究中,氮杂炭材料是一类氧还原反应催化活性最好、成本最低廉的催化剂,被认为是最有可能取代Pt催化剂而获得实际应用的催化剂.氮杂有序介孔炭材料因具有极高的比表面积和规整的孔道结构,可实现活性位点的密集组装与反应物料的快速传输,受到研究者的广泛关注.本文分别以苯胺、吡咯和邻菲罗啉为含氮前驱体,介孔分子筛SBA-15为硬模板,采用纳米浇铸法成功制备了具有高比表面积的氮杂有序介孔炭材料,系统研究了不同含氮前驱体对氮杂有序介孔炭材料的影响.采用氮气吸附-脱附等温线、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等方法研究了氮杂有序介孔炭的组成与结构,采用循环伏安法(CV)以及线性扫描伏安法(LSV)等手段考察了其电化学行为与氧还原反应极化性能.氮气吸附-脱附等温线结果表明,采用三种不同含氮前驱体制备的氮杂炭材料都对应IV型吸脱附等温线以及H4型滞后环,表明所制备的氮杂炭材料具有介孔结构.由TEM可以清楚地观察到氮杂炭材料已经成功地反转了SBA-15模板的孔道结构.同时发现,含氮前驱体对氮杂炭材料的比表面积和孔结构产生较大影响:以吡咯和邻菲罗啉为前驱体制备的炭材料C-PY-900和C-Phen-900的比表面积较高,分别为765和746 m~2/,而以苯胺为前驱体制备的炭材料C-PA-900比表面积较小(569 m~2/);三种炭材料平均孔径大小顺序为C-Phen-900(3.7 nm)C-PY-900(5.0 nm)C-PA-900(5.9 nm),这是由于不同含氮前驱体在高温焙烧过程中热分解行为不同所致.XRD结果发现,含氮前驱体对氮杂炭材料的晶型基本没有影响,均为无定形碳.XPS结果表明,采用苯胺、吡咯以及林菲Up啉为前驱体制备的氮杂炭材料中氮含量基本相同,分别为3.13 at%,3.32 at%和3.33 at%,说明在相同热解条件下材料中的氮含量基本不受前驱体的影响,但不同配位环境的氮含量以及氮活化碳原子的含量却有较大差异,其氮活化碳原子的相对含量分别为15.60%,19.87%和23.04%.电化学测试结果表明,三种氮杂介孔炭材料的氧还原反应电催化活性顺序为C-PA-900C-PY-900C-Phen-900,其H_2O2产率低于30%,说明氧还原反应经历4电子转移路径.在碱性条件下,所制氮杂有序介孔炭材料C-PY-900和C-Phen-900表现出较商品Pt/C催化剂更加优异的氧还原反应电催化性能.综上可见,通过改变含氮前驱体的类型可以有效调变氮杂炭材料的比表面积、孔道结构以及N 1s与C 1s化学态,从而调控氧还原反应活性.本文不仅制备出高活性的非贵金属氧还原电催化剂,同时也为高活性炭基电催化剂的可控制备提供了思路.
【作者单位】： 华南理工大学化学与化工学院广东省燃料电池技术重点实验室;华南理工大学轻工与食品学院;广东工业大学轻工化工学院;
【关键词】： 电催化 燃料电池 氮杂有序介孔炭 氧还原反应 前驱体
【基金】：supported by the National Natural Science Foundation of China(21476087,21576101) the Innovation Project of Guangdong Department of Education(2014KTSCX016) the Science&Technology Research Project of Guangdong Province(2013B010405005,2014A010105041) the Fundamental Research Funds for the Central Universities~~
【分类号】：O643.36;TM911.4
【正文快照】： 1.Introduction The polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC)has been widely regarded as the next-generation energy technology because of advantages related to zero emission,high efficiency and energy density[1 3].Currently,the commercialization of

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