莲子衍生氮掺杂碳的制备及其电催化氧还原反应性能.doc

莲子衍生氮掺杂碳的制备及其电催化氧还原反应性能
摘 要:燃料电池和锌空气电池因具有清洁、高效等优点而被研究者们广泛研究。目前,Pt/C催化剂不耐甲醇且价格高。所以燃料电池和锌空气电池的商业化受到严重限制。来源广和催化ORR活洗净烘干,磨成粉,取2g莲子粉于管式炉中,以5℃min-1的升温速率从室温至900℃,并保温2h,冷却至室温,得到黑色粉末(NC)。
(2) NH4Cl的20mL蒸馏水中,搅拌均匀,冷冻干燥,得到白色样品,将样品放入管式炉中,将管式炉以5℃min-1的升温速率从室温至900℃,并保温2h,冷至室温,得到黑色粉末(pNC)。
催化剂的结构表征
使用RigakuUltima IV 衍射系统通过Cu Kα辐射记录样品的X射线衍射图(XRD)。用扫描电子显微镜(SEM,ZEISS SUPRA 55)对样品的形貌进行了表征。采用自动气体吸附分析仪(ASAP 2020)获得氮气吸附/解吸等温线。用X射线光电子能谱(XPS,Thermo Scientific Escalab 250Xi)研究了样品的表面化学成分和元素状态。
电化学测试
电催化氧气还原性能测试 以铂丝为辅助电极、Ag/AgCl电极为参比电极、制备有催化剂的玻碳电极( cm-2)为工作电极、KOH溶液()为电解液的三电极系统和CHI 760E电化学分析仪上对NC、pNC和Pt/C催化剂进行了电化学测试。称取1mg NC、pNC和Pt/C催化剂在250uL Nafion和250uL乙醇混合溶液中超声1h,移取14uL所制备的催化剂滴涂于旋转圆盘电极上,待自然晾干后备用。
KOH溶液中,用循环伏安法(CV)和线性扫描伏安法(LSV)考察催化剂的催化ORR活性,CV测试时扫描速率测定为100mVs-1,LSV测试时扫描速率为10mVs-1。在碱性介质中测试电压范围分别为-~。ORR过程中,每一个氧气分子的电子转移数(n)根据Koutecky-Levich(K-L)方程计算得到[10]。即:
式(1)、(2)中J为电极上所测得的相应电位的电流密度,JK为动力学电流密度,B为Levich常数,ω为旋转圆盘电极(RDE)的角速度,n为ORR过程中总的电子转移数,F为法拉第常数(F=96485Cmol-1), KOH中溶解氧的浓度(C0=×10-3molL-1), KOH中氧气的扩散系数(D0=×10-5cm2s-1), KOH力学粘度(ν= s-1)[11]。
锌空气电池测试
采用涂有pNC (Pt/C)催化剂(1mg cm-2)碳纸(2×2 cm2)、 KOH为空气阴极、阳极和电解质,组装成一次锌空气电池。所有测试均在配备有电流放大器的CHI760E电化学工作站上进行。
3 结果与讨论
催化剂的组成与结构表征
利用X射线衍射(XRD)对材料的性能进行了评价,NC和pNC催化剂的X射线衍射图(图1a)显示出相似的峰,分别为26o和4