氧电极多孔Fe基催化剂的制备及其电化学性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文
摘 要
随着现代社会快速发展，严重的环境污染及资源匮乏等问题迫使人们去开发新能
源。燃料电池、金属空气电池因其方便、无污染、性能可靠、能量密度高；电解水制氢
气清洁、制备方法简单，而成为新能源领域研究的热点。但是燃料电池、金属空气电池
及电解水由于氧电极反应过程中动力学缓慢，过电势高阻碍了其商业化应用。因此开发
高效的氧还原(ORR)及氧析出(OER)催化剂从而提高电池工作效率至关重要。本文以 Fe
基催化剂为研究系统，以设计构造性能优异、价格低廉的催化剂为目标，制备了一系列
非贵金属催化剂，并结合现代谱学显微技术和电化学方法探讨了催化剂的 ORR/OER 性
能与结构之间的关系。具体工作如下：
(1) 以邻甲基苯胺、FeCl3·6H2O 和 H3PO4 为前驱体，二氧化硅纳米球和十六烷基三
甲基溴化铵(CTAB)为模板，采用热解法制得了 N、P 掺杂的多孔碳包覆的 Fe2P 纳米粒
子的 Fe2P/NPC 催化剂。透射电子显微镜、Brunauer-Emmett-Teller (BET)、X 射线衍射
和 X 射线光电子能谱表征结果表明获得的三维介孔 Fe2P/NPC 催化剂有较高的比表面积
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(785 m g )、大量的 Fe2P 纳米颗粒和吡啶 N 和石墨 N 物种。电化学测试结果表明，形
成的 Fe2P/NPC 催化剂在碱性介质中的 ORR 起始电位(- V)与 Pt/C 催化剂的相当，半
波电位比 Pt/C 约正 20 mV，且拥有优异的稳定性和显著的抗甲醇性能。如此优异的 ORR
性能归因于吡啶 N、石墨 N 和 Fe2P 物种与其三维相互连接的多孔结构之间的协同效应。
(2) 选择邻甲基苯胺为碳源及氮源，以 FeCl3·6H2O 为 Fe 源，分别以 HCl、H2O 及
NH3∙H2O 为 pH 调节剂，经过热解得到 Fe-N-Cac、Fe-N-Cne 及 Fe-N-Cal 催化剂。物性表
征发现获得的催化剂体相结构及表面原子含量、分布、构型有很大的差别。值得注意的
是中性条件下制备的催化剂金属粒子被包覆在碳层内部，以至于表面的 Fe 含量检测不
到。电化学测试表明 Fe-N-Cac、Fe-N-Cne 及 Fe-N-Cal 催化剂的 ORR 起始还原电位依次为
- V、- V、- V。此外，Fe-N-Cac 催化剂的稳定性最好，经过 1800 s 恒定电位
测试后仍保持相对高的电流强度为起始值的 95%。
(3) 采用葡萄糖为碳源，FeCl3·6H2O 和 Co(NO3)2·6H2O 为 Fe 源 Co 及源，g-C3N4 为
C、N 源及造孔模板，采用分步热解法获得了 N 掺杂的多孔碳包覆的 、Fe2O3、
Co 纳米粒子 Fe-******@NC 催化剂。物性表征表明分步热解法获得的 Fe-******@NC 催化剂拥
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有较多的活性物质如 、Fe2O3、Co、Fe-Nx 及 Co-Nx 及较高的比表面积(303 m g )。
电化学性能表明获得的 Fe-******@NC 催化剂同时拥有较好的 ORR 及 OER 活性(ΔE= V)
和优异的 ORR 及 OER 稳定性：催化剂在 8000 圈循环测试前后的 ORR 活性曲