由钴配位聚合物得到的氮掺杂碳材料的制备及性能研究.pdf

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1、第46卷第8期化工技术与开发Vol.46No.82017年8月Technology&DevelopmentofChemicalIndustryAug.2017由钴配位聚合物得到的氮掺杂碳材料的制备及性能研究张莉莉，刘素琴（中南大学化学化工学院，湖南长沙410083）摘要：采用溶剂反应合成钴与苯并咪唑的配位聚合物Co-BIM，并在高温条件下热解得到氮掺杂碳材料Co-N/C。通过探究不同热处理温度以及酸处理对该材料的催化氧还原性能的影响，得到催化氧还原性能最优的材料Co-N/C-800。电化学测试发现，Co-N/C-800在O2饱和

2、的碱性溶液中有较正的氧还原起始电位（0.92V）和半波电位（0.83V），接近于商业20%Pt/C，具有良好的氧还原催化性能。关键词：配位聚合物；热解；氧还原催化性能中图分类号：O631.71文献标识码：A文章编号：1671-9905(2017)08-0016-05Pt/C材料因其在氧还原反应中的高活性，常作230场发射电子显微镜，瑞士万通旋转圆盘电极；为金属空气电池阴极催化剂被使用，但是其高价格CHI660D电化学工作站。[1]和低储量限制了金属空气电池的规模化应用。近1.2Co-BIM的制备[2]年来，杂原子掺杂的碳材料作为

3、最有希望替代Pt1.25g四水合乙酸钴［Co(CH3CO2)2·4H2O］在的非贵金属催化剂而受到关注。超声条件下溶于50mL无水乙醇和50mL去离子水氮掺杂是杂原子掺杂的碳材料中最常见的一种的混合溶液中，得到溶液A。1.18g苯并咪唑在超声[3]掺杂，掺杂方式有多种，如含氮前驱体、气相沉积条件下溶于50mL无水乙醇和50mL去离子水中，得[4][5][6]法、热处理、等离子体处理等。热处理后，含-1到溶液B。然后将溶液A以2滴·s的速度注入[7]氮碳材料主要以氮掺杂碳或M-Nx为氧还原活性溶液B之中，将得到的混合溶液在60℃条

4、件下恒温[8]位。对于有金属存在的催化剂，会有活性位M-Nx持续搅拌30min。将得到的紫色悬浊液使用离心分存在，研究表明M-Nx含量较高的催化剂具有较高离得到紫色沉淀，用乙醇洗涤3遍后在80℃下干燥的氧还原催化活性。4h得到前驱体Co-BIM。本文采用含氮前驱体的方式引入氮元素，乙酸1.3氮掺杂多孔碳材料Co-N/C的制备钴与含氮有机配体苯并咪唑在水和乙醇的混合溶剂中反应形成钴配位聚合物Co-BIM，高温处理形成取500mg前驱体置于瓷舟之中，将瓷舟平放于氮掺碳材料。随后，探究了热处理温度以及酸处理管式炉石英管正中间。通入Ar

5、/H2（10%）保护气，-1对其氧还原催化性能的影响，并通过与商业20%Pt/以5K·min的升温速度升至350℃并保温1h，以-1C的比较来评价其催化性能。脱除吸附的水分和杂质有机物，然后再以2K·min升温至600℃、700℃、800℃、900℃，保温反应2h后1实验自然冷却至室温。得到的黑色材料用1M硫酸除去1.1试剂与仪器碳化过程中产生的易除去的钴颗粒，并用去离子水洗涤并干燥，得到最后的产物Co-N/C。四水合乙酸钴（分析纯），苯并咪唑（99%），1.4电催化性能测试20%Pt/C催化剂，无水乙醇（分析纯），去离子水。R

6、igaku2500型(18kW)衍射仪，ESCALAB250Xi本文采用循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法X射线光电子能谱分析，FEINovaNanoSEMTM(LSV)、计时电流法对电极的电催化性能和稳定性能收稿日期：2017-05-17第7期张莉莉等：由钴配位聚合物得到的氮掺杂碳材料的制备及性能研究17进行评价，并与20%Pt/C催化剂进行比较。所有电别降至0.87V和0.79V，极限扩散电流密度也降到-2化学测试都在CHI660D电化学工作站上进行，参4.1mA·cm。因此，对于本文中以乙酸钴为金属前比电极为AgCl（饱和

7、KCl溶液），铂电极为参比电驱体，苯并咪唑为有机配体的氮掺杂多孔碳催化剂，极，工作电极为负载了所制备的催化剂的玻碳(GC)其最适热处理温度为800℃，该条件下得到的材料-1旋转圆盘电极（d=5mm），电解液为0.1mol·L的催化氧还原性能最优，记为Co-N/C-800。KOH溶液，测试温度为25℃。根据不同测试条件，2.2酸处理对Co-N/C氧还原性能的影响通入高纯氧（或高纯氮）30min，以除去溶液中的空除了温度之外，酸处理也会影响材料的催化活气，保证电解液氧气饱和（或氮气饱和）。性。在热解过程中，钴配位聚合物结构会向M-N

8、x/C工作电极的制备：取5mgCo-N/C催化剂，[9]碳层转变，需要更高化学计量配比的N和C，因此950mL无水乙醇和50mL5％Nafion溶液，超声分散2+0多余过渡金属M会从碳层中分离出来团聚成M，至均匀墨水状的悬浮液。取10μL悬浮液涂于玻0M对氧还原