本文關(guān)鍵詞：高分散Fe-N-C氧還原反應(yīng)電催化劑及其在直接甲醇燃料電池中的應(yīng)用（英文）

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【摘要】：氧還原反應(yīng)(ORR)是燃料電池和金屬空氣電池等潔凈發(fā)電裝置中陰極的主要反應(yīng),該反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程慢,電化學(xué)極化嚴(yán)重.Pt基電催化劑具有較好的ORR活性,然而Pt資源有限、價(jià)格昂貴,研制高活性、低成本的代Pt電催化劑意義重大.經(jīng)過(guò)幾十年的探索,研究者發(fā)現(xiàn)將含有C,N和Fe等元素的前體進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼玫降腇e-N-C電催化劑對(duì)ORR具有良好的活性,然而在高溫?zé)峤膺^(guò)程中Fe容易發(fā)生聚集而形成大塊顆粒,導(dǎo)致Fe的利用率不高,影響了電催化劑的ORR活性.本文分別以聚吡咯和乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na)為C和N的前驅(qū)體,利用高溫?zé)峤庑纬傻母缓⒖椎奶疾牧蠈?duì)鐵前體的吸附及錨定作用,獲得了一種Fe高度分散的Fe-N-C電催化劑.采用物理吸脫附技術(shù)、高分辨透射電鏡(HRTEM)和掃描電鏡對(duì)Fe-N-C及其制備過(guò)程中相關(guān)電催化劑的孔結(jié)構(gòu)及表面形貌進(jìn)行了表征.結(jié)果表明,在第一步熱解過(guò)程中,EDTA-2Na的Na對(duì)碳材料起到了活化作用,形成富含微孔的N摻雜碳材料(N-C-1),其BET比表面積達(dá)到1227 m~2/g,孔徑約1.1 nm.在第二步熱解過(guò)程中,N-C-1有效地抑制了Fe的聚集,產(chǎn)物Fe-N-C中的Fe元素均勻地分布在碳材料中,其比表面積高達(dá)1501 m~2/g.電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,在堿性介質(zhì)(0.1 mol/L NaOH)中,Fe-N-C電催化劑對(duì)ORR具有良好的催化活性,ORR起始電位(E_o)為1.08 V(vs.RHE),半波電位(E_(1/2))0.88 V,電子轉(zhuǎn)移數(shù)n接近4,H_2O_2產(chǎn)率3%,與商品20%Pt/C(Johnson Matthey)接近.電化學(xué)加速老化測(cè)試結(jié)果表明,Fe-N-C的E_(1/2)未發(fā)生明顯變化,而Pt的負(fù)移45 mV,表明Fe-N-C具有很好的穩(wěn)定性;在酸性介質(zhì)(0.1 mol/L HClO_4)中,Fe-N-C的E_o為0.85 V,E_(1/2)為0.75 V,其E_(1/2)比Pt/C負(fù)移約0.15 V,表明在酸性介質(zhì)中Fe-N-C對(duì)ORR的催化活性還有待提高.采用TEM、X射線(xiàn)衍射、X射線(xiàn)光電子能譜以及穆斯堡爾譜等方法研究了電催化劑構(gòu)效關(guān)系.結(jié)果表明,Fe-N-C較好的ORR活性主要來(lái)自于高分散的Fe-N_4結(jié)構(gòu),此外,N(吡啶N和石墨N)摻雜的C也對(duì)反應(yīng)具有一定的催化活性.與Pt/C相比,Fe-N-C電催化劑具有很好的耐甲醇性能.本文對(duì)比了Fe-N-C和Pt/C作為陰極催化劑的直接醇類(lèi)燃料電池(DMFC)性能,采用質(zhì)子交換膜的DMFC最大功率密度分別為47(Fe-N-C)和79 mW/cm~2(Pt/C),而采用堿性電解質(zhì)膜的則分別為33(Fe-N-C)和8 mW/cm~2(Pt/C).結(jié)合半電池結(jié)果表明,Fe-N-C電催化劑在堿性介質(zhì)中具有比Pt更為優(yōu)秀的催化活性和穩(wěn)定性,有望用作DMFC陰極代Pt催化劑.
【作者單位】： 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 潔凈能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室燃料電池研究部;中國(guó)科學(xué)院大學(xué);中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 穆斯堡爾譜數(shù)據(jù)中心;
【關(guān)鍵詞】： 高分散鐵 微孔碳材料 氧還原反應(yīng) 直接甲醇燃料電池
【基金】：supported by the“Strategic Priority Research Program”of the Chinese Academy of Sciences(XDA09030104) the National Basic Research Program of China(973 Program,2012CB215500) the National Natural Science Foundation of China(21576258;50823008)~~
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36;TM911.4
【正文快照】： 1.IntroductionThe oxygen reduction reaction(ORR)is the cathodic reactionof energy sources such as fuel cells and metal air batteries.The slow kinetics of the ORR hinders the performance of suchenergy related technologies.Presently,Pt and its alloys set

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本文編號(hào)：532650