Hierarchical Porous Fe-N-S-Doped Carbon for Efficient Oxygen Reduction Reaction.pdf

1、可再生能源技術(shù)的發(fā)展，如金屬空氣電池和燃料電池，都依賴(lài)于氧氣電化學(xué)反應(yīng)。氧還原反應(yīng)(ORR)是一種氧電極反應(yīng)，它發(fā)生在金屬-空氣電池和燃料電池的陰極中。然而，ORR是上述氧氣電化學(xué)設(shè)備商業(yè)化應(yīng)用受阻的關(guān)鍵因素。雖然鉑基催化劑被認(rèn)為是克服ORR動(dòng)力學(xué)遲緩的最有效的催化劑，但是Pt資源稀缺，成本高昂從而限制了其發(fā)展。替代鉑催化劑，制備非貴金屬催化劑是至關(guān)重要的。通過(guò)700℃上的高溫?zé)峤獾玫降碾s原子和過(guò)渡金屬摻雜的多孔碳催化劑在酸性和堿性條件

2、下顯示出高的催化活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性，是一個(gè)有希望替代Pt的催化劑。然而，分布均勻的多孔結(jié)構(gòu)，摻雜雜原子的含量和固有活性位點(diǎn)仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。在本工作中，在過(guò)渡金屬（鐵或鈷）硝酸鹽存在下，通過(guò)硫脲作為氮和硫的唯一前體，葡萄糖作為廉價(jià)綠色碳源，大孔硅石為模板，通過(guò)一步熱解合成了雜原子和過(guò)渡金屬摻雜的多孔碳催化劑。然后使用電化學(xué)測(cè)試對(duì)所有制備的催化劑進(jìn)行表征和評(píng)估。雜原子（N和S）和過(guò)渡金屬（Fe和Co）的選擇不是偶然的，因?yàn)榈土蚨纪ㄟ^(guò)

3、誘導(dǎo)電荷和密度來(lái)改變碳的電子結(jié)構(gòu)。對(duì)于過(guò)渡金屬（Fe和Co），它們能夠輔助引入雜原子（N和S），促進(jìn)熱解過(guò)程中的石墨化。事實(shí)上，覆有過(guò)渡金屬物質(zhì)使得石墨碳的ORR活性增強(qiáng)。我們還通過(guò)改變合成條件和用于合成催化劑的前體制備了很多催化劑，旨在增加雜原子和摻雜過(guò)渡金屬的多孔碳催化劑的活性。首先，以硫脲/葡萄糖的不同組成質(zhì)量比合成了鐵-氮-硫/摻雜的多孔碳催化劑，通過(guò)SiO2過(guò)濾出來(lái)的量來(lái)評(píng)估質(zhì)量比對(duì)孔結(jié)構(gòu)，表面積和電催化活性的影響，以獲得最佳

4、質(zhì)量比。第二，所制備的催化劑通過(guò)含F(xiàn)e2O3物質(zhì)進(jìn)行酸浸，得到具有高電催化活性和穩(wěn)定性的鐵-氮-硫摻雜多孔碳。接著，分別使用堿和酸浸漬除去SiO2模板和原位產(chǎn)生的Fe2O3，這不僅可以充分研究Fe對(duì)孔結(jié)構(gòu)，表面積和活性位點(diǎn)的影響，而且避免了使用的高?；衔?HF)。優(yōu)異的電催化性能歸因于以下幾點(diǎn):(1)主要是因?yàn)檫拎?/石墨-N物質(zhì)，共摻雜噻吩-S和鐵納米顆粒形式的氮含量高，提供多的活性位點(diǎn)。(2)具有微觀，中孔和大孔的分層多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

5、，加速了傳質(zhì)，促進(jìn)了活性位點(diǎn)的充分利用。(3)石墨碳的高比表面及保證了ORR過(guò)程中表面電子的快速傳導(dǎo)。同時(shí)，我們還進(jìn)行了Fe和Co表面過(guò)渡金屬的比較研究，以及熱解溫度(700～1000℃)研究。此外，我們研究使用尿素來(lái)替代硫脲來(lái)?yè)诫sS的重要性。最后，我們將優(yōu)異的電催化劑與商業(yè)鉑催化劑的活性，選擇性和穩(wěn)定性進(jìn)行了比較，并作為陰極用于鋅-空氣電池。本論文提出了一種有前景的可以代替鉑催化劑的非貴金屬氧還原催化劑，這使我們將在可再生能源裝置，如