基于金屬有機(jī)框架化合物設(shè)計制備碳基納米材料及其在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用.pdf

1、現(xiàn)如今，人們對制備成本低廉且高效的電化學(xué)催化劑展現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，這些電催化劑可以應(yīng)用在一些可持續(xù)能源裝置與技術(shù)中，比如:電化學(xué)全水分解和金屬空氣電池。在過去幾年里，雖然科研人員在探索開發(fā)低成分且高活牲電催化劑領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展，但是貴金屬催化劑如Pt和Ir依然被認(rèn)為是各種電催化反應(yīng)中最好的催化劑如:析氫反應(yīng)(HER)，析氧反應(yīng)(OER)和氧還原反應(yīng)(ORR)。但是貴金屬較為稀少的總量和相對較高的成本限制了它們商業(yè)化應(yīng)用的前景。<

2、br>　　碳基材料，尤其是石墨烯，由于其獨特的結(jié)構(gòu)和電子特性，被大們認(rèn)為是最有潛力取代金屬催化劑的材料。原始的石墨烯電催化性能很差，但是可以通過引入雜環(huán)原子如氮原子來提升其催化性能。然而，單純的氮摻雜石墨烯材料的性能依然無法和貴金屬催化劑相比擬。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過構(gòu)建石墨烯殼和金屬核這種核殼包覆結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提升石墨烯表面碳原子的催化活性。并且，人們發(fā)現(xiàn)，在石墨烯晶格里引入金屬單原子如Fe，Co和Ni等也可以大幅度提升石墨烯本身的催化

3、性能。因此，氮摻雜石墨烯包覆的金屬、合金(M@NG)以及以石墨烯為框架的金屬單原子催化劑成為新興的并且有潛力取代貴金屬催化劑的碳基材料。金屬有機(jī)框架化合物(MOFs)由于其本身具有很大的比表面積和孔徑體積以及可以調(diào)控改變的金屬中心離子和有機(jī)配體，被認(rèn)為是制備碳基材料的理想的前驅(qū)物。在惰性氣氛高溫退火的過程中，MOFs中的金屬離子將會形成金屬或者合金，或者通過進(jìn)一步的后處理過程成為金屬單原子。于此同時，含有碳原子和氮原子的有機(jī)配體，將會作

4、為碳源和氮源分解形成氮摻雜石墨烯。通過改變MOFs前驅(qū)物中的金屬離子的種類，以及后續(xù)處理工藝，可以人為控制最終產(chǎn)物中氮摻雜的含量、金屬元素的種類以及金屬原子的配位環(huán)境，從而為研究這些因素與電催化性能之間的關(guān)系提供了很好的機(jī)會。因此設(shè)計制備了各種MOFs前驅(qū)物來作為模板，通過熱解及后處理工藝，合成了各種氮摻雜石墨烯包覆合金以及金屬單原子催化劑。并且，通過實驗與理論計算相結(jié)合的方法，探究了這些催化劑在HER、OER和ORR中催化性能和催化機(jī)

5、制。具體內(nèi)容如下:
　　1.非貴金屬催化劑由于其低成本和豐富的儲量而成為析氫反應(yīng)(HER)催化劑中的取代鉑基催化劑的最有前景的材料。然而，由于其本身在酸性介質(zhì)中容易被腐蝕和氧化的特性，使得其作為電催化劑效率很低、穩(wěn)定性也較差。這是阻礙它們成為可持續(xù)制氫催化劑的主要障礙。在該工作中，通過在N2中對MOFs屬的本征催化活性方面發(fā)揮重要作用。制備的仿生電催化劑在堿性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR和鋅空氣電池的性能，甚至比商業(yè)Pt/C更好(起始