过渡金属和杂原子修饰的碳材料的制备及电催化性能研究.docx

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1、过渡金属和杂原子修饰的碳材料的制备及电催化性能研究持续增长的能源消耗使得燃料电池和电解水等清洁能源技术成为了世界范围内的研究重点。而这些技术均主要受益于开发适合的催化剂材料。目前最好的催化剂,如铂和钌基催化剂等,因稳定性差、资源稀缺且价格高昂等缺点而严重阻碍了其大规模工业化应用。因此,研究开发出催化活性高、稳定性好且成本低廉的新型催化剂,是实现燃料电池和电解水等技术大规模工业化应用的技术关键。本文采用Fe、Co、N和P掺杂,利用一定的实验策略,可控的调节催化剂的化学组成、比表面积和孔结构,制备出了高效的催化活性位点,增加了可利用的活性位点密度,提高了其

2、传输电子和物质的能力,制备出了四种高效的过渡金属基杂原子掺杂碳材料:第一,邻菲罗啉铁复合物通过MOFs的吸附和位点分离作用引入到其孔道中,防止了大范围金属纳米粒子的堆积和孔道的坍塌,再经高温热解得到了多级孔碳材料（Fe/N/C-T）。第二,以CTAC和SiO₂分别作为软硬模板,再经高温热解和酸刻蚀后得到了具有中空碳纳米小球的多级孔碳材料（Fe/N-HCS-X-T）。第三,以苯胺五聚体二羧酸为配体,利用溶剂热的方法制备一种Fe/Co-MOF负载在NF上,作为碳源和金属源,磷化后得到了Fe/Co/P-NPs。第四,利用配体交换反应在N

3、F上制备出了钴掺的类普鲁士蓝前驱体,对其磷化后得到了呈山丘状的Fe/Co/P-ZIF-67,8。最后利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射能谱（XRD）等技术对材料的形貌结构进行表征。再利用循环伏安（CV）、线性扫描伏安（LSV）和计时电流稳定性测试（I-T）等电化学手段对材料的电催化活性、稳定性和抗甲醇性能进行表征。研究发现,本文制备的Fe/N/C-900和Fe/N-HCS-0.5-800均具有较高的比表面积和丰富的孔结构,两种材料的碱性ORR起始电位分别达到了0.98和1.00Vvs.RHE,

4、表明具有高效的ORR催化活性,Fe/N-HCS-0.5-800的碱性ORR催化性能甚至略优于Pt/C。此外,Fe/N-HCS-0.5-800的酸性HER起始过电位为40mV,表现出了较优异的HER催化活性。Fe/Co/P-NPs和Fe/Co/P-ZIF-67,8则均表现出了非常优异的OER催化活性,在10mAcm^-2时的过电位分别为270和220mV,优于RuO₂的催化活性。此外,它们在酸碱性HER及全水裂解反应中也有优异的催化活性。