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催化学报:碳模板法诱导Fe-Nx活性位点生长

催化学报:碳模板法诱导Fe-Nx活性位点生长

前言

2018年6月21日,《催化学报》在线发表了上海交通大学马紫峰教授课题组与武汉大学陈胜利教授课题组在燃料电池阴极非贵金属碳催化剂领域的最新研究成果。该工作提出了一种碳模板诱导Fe-Nx活性位点生长的方法即通过高温热解含有Fe盐的三聚氰胺前驱体混合物实现了Fe-Nx强活性位点的高密度掺杂。论文第一作者为张世明博士,论文共同通讯作者为马紫峰教授和陈胜利教授

背景介绍

能源危机和环境恶化是当今社会面临的巨大挑战。日本丰田推出Mirai燃料电池汽车量产上市计划, 把燃料电池及其关键技术推向了一个新的发展纪元。

(1). 贵金属Pt资源有限、成本高昂等,是制约燃料电池大规模商业化的关键所在, 因此, 亟待实现高性能非贵金属催化剂的突破;

(2). Fe-Nx掺杂的碳催化剂展现出了极大的代Pt潜力,谱学技术证实Fe-Nx(特别是Fe-N4)为强活性位点,因此,有待提出合理策略以促进非贵金属碳催化剂中Fe-Nx强活性位点的高密度掺杂。

本文亮点

通过高温热解基于“三聚氰胺+Fe盐”的前驱体混合物,提出了一种碳模板诱导Fe-Nx活性位点生长的方法:调控非/弱活性Fe物种(金属Fe、Fe碳化物等)向强活性Fe-Nx物种(Fe-N4和其它Fe氮化物等)的转化,同时,增强Fe-Nx物种的本征活性。

图文解析

催化学报:碳模板法诱导Fe-Nx活性位点生长

图1. 复合材料及两种单体的SEM和TEM。

要点:高温热解三聚氰胺/铁盐混合物生成杂乱无规则的碳纳米管;引入碳模板,原位生长均一的碳纳米管;无铁盐时,碳模板N元素掺杂、形貌不改变

 

催化学报:碳模板法诱导Fe-Nx活性位点生长

图2. 复合材料及两种单体的氮气吸脱附及孔径分布曲线。

要点:复合材料较两种单体具有提高的比表面积和孔体积,协同效应的存在有利于Fe-Nx物种的生长及活性提升。

 

催化学报:碳模板法诱导Fe-Nx活性位点生长

图3. 两种Fe-Nx掺杂碳材料的Mössbauer谱图。

要点:Mössbauer谱展示了两种Fe-Nx掺杂碳催化剂中Fe物种的具体组成及比例:FeN-CNT单体中,单质Fe和Fe碳化物相对总Fe物种占比高达~85%;FeN-CNT/CS复合材料中,Fe-Nx物种为主,为~75%。

 

催化学报:碳模板法诱导Fe-Nx活性位点生长

图4. 碳催化剂的质量活性以及可能活性位点的TOF值。

要点:复合材料较两种单体具有提高的质量活性;分别考虑以Fe-N4和全部Fe-Nx作为可能的活性位点,复合材料均体现出较高的TOF值。

 

全文小结

1. 碳模板的引入,有利于Fe、N化合物的均匀吸附,促使竹状碳纳米管的均匀成核与原位生长;

2. 碳模板的引入,形成的复合材料中两种单体间存在协同效应,提高了其比表面积和总孔体积

3. 碳模板的引入,调控了Fe、N两种元素的耦合方式:能够抑制金属Fe和Fe碳化物等非活性Fe物种的生成、诱导Fe-N4和其它Fe氮化物等强活性Fe-Nx物种的生长,增强了Fe-Nx位点的本征活性

 

作者介绍

催化学报:碳模板法诱导Fe-Nx活性位点生长

马紫峰,上海交通大学特聘教授。主要从事动力与储能电池材料、电化学能源系统工程及燃料电池电催化过程研究。主持国家973计划项目2项、863计划和国家重点基金项目2项。已发表学术论文300多篇,SCI引用4000多次,中国发明专利授权40多项。先后荣获“中国产学研合作创新奖”、“中国化工学会侯德榜化工科技创新奖”、“中国石油与化学工业联合会技术发明二等奖”、“教育部科技进步一等奖”等。

催化学报:碳模板法诱导Fe-Nx活性位点生长

      陈胜利,武汉大学珞珈学者、特聘教授。主要从事燃料电池电催化相关研究,包括密度泛函计算及分子模拟、微/纳米电化学界面构建及动力学研究、催化剂设计与制备、膜电极技术等。承担纳米973课题、国家863计划课题、国家自然科学基金项目多项。主编《电催化》一书。兼任ACS Catalysis、《电化学》等期刊编委。先后荣获“教育部新世纪优秀人才支持计划”、“中国化学会电化学委员会电化学青年奖”等。

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