碳包覆铁基催化剂的制备及其电催化性能的研究

• 作 者: 马颖华
• 出 处: 燕山大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 碳纳米管 纳米颗粒 石墨烯 三维结构 超薄多孔碳纳米片 氧还原

面对全球化石能源的不断开发和极为严重的过度使用,能源危机显然将成为人类未来发展的潜在隐患。燃料电池和金属空气电池是绿色清洁安全能源的转化器件。然而,这两类电池出现的高过电势、缓慢动力学的阴极反应过程是限制电池的性能重要瓶颈所在,迫切需要找到高效催化剂来加速反应过程。碳包覆铁基催化剂由于突出的导电性、低廉的成本、足够量的活性位点和良好的稳定性等众多优势,备受研究者的青睐。但金属颗粒和碳纳米片的大量堆叠,严重影响了材料的结构和电催化性能。为了解决这些问题,本文以通过简便有效的热解方法设计和构建合理的结构,提高催化剂的电催化性能。本论文的主要内容归纳如下:以资源丰富的三聚氰胺和三氯化铁为原料通过简单经济高效的热解策略和工艺优化后,制备了金属纳米颗粒有效包覆于氮掺杂的碳纳米管的样品（Fe@NCNTS）。通过探究反应物的配比和热解温度对样品结构和活性的影响,分析出最理想的完全包覆型结构和最优良的氧还原活性的样品。在碱性电解质情况下,最佳Fe@NCNTS样品的起始电位和半波电位分别能够达到0.968 V和0.808 V,塔菲尔斜率为71 mV dec^-1。采用造孔剂氯化锌模板辅助方法来修饰前驱体,成功构筑出碳纳米管和超薄多孔的碳纳米片协调的稳定三维结构催化剂（Fe@N-CNS/CNTS）。该三维结构赋予该样品超高的孔隙度和优良的有效比表面积,进而使其暴露出丰富的活性位点。通过调控氯化锌的质量和热解温度,探究对所制备电催化剂结构和性能的影响。最优电催化剂的起始电位为0.983V,半波电位为0.835V,塔菲尔斜率为63mV dec^-1,25000s老化测试之后电流密度仅减少了7%,峰值功率密度为87.5mV cm^-2。采用简单高温热解和酸处理工艺制备了三维结构的催化剂（Fe₃C@NGC）,该催化剂的成分为氮掺杂的石墨烯和空心碳纳米管。其中,邻菲啰啉通过络合作用抑制了部分金属铁的团聚。石墨烯碳骨架结构中包含分布均匀的含有FeN_x活性位点的碳纳米管,两者提升了催化剂的稳定性。此外,这种复合结构的边缘缺陷进一步提高催化剂的电化学性能。最佳催化剂起始电位和半波电位分别为0.984V和0.825V。