含氮前驱体对氮杂有序介孔炭材料及其氧还原电催化性能的影响（英文）简

• Published in: 催化学报 2016 (9), p.1562-1568
• Main Author: 李小花 万凯 刘全兵 朴金花 郑育英 梁振兴
• Format: Article
• Language: Chinese
• Subjects: 电催化; 燃料电池; 氮杂有序介孔炭; 氧还原反应; 前驱体
• ISSN: 0253-9837; 1872-2067

燃料电池中贵金属铂的大量使用是阻碍其发展的关键因素,亟需探索高效廉价的替代型电催化剂.在目前的替代型非贵金属催化剂研究中,氮杂炭材料是一类氧还原反应催化活性最好、成本最低廉的催化剂,被认为是最有可能取代Pt催化剂而获得实际应用的催化剂.氮杂有序介孔炭材料因具有极高的比表面积和规整的孔道结构,可实现活性位点的密集组装与反应物料的快速传输,受到研究者的广泛关注.本文分别以苯胺、吡咯和邻菲罗啉为含氮前驱体,介孔分子筛SBA-15为硬模板,采用纳米浇铸法成功制备了具有高比表面积的氮杂有序介孔炭材料,系统研究了不同含氮前驱体对氮杂有序介孔炭材料的影响.采用氮气吸附-脱附等温线、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等方法研究了氮杂有序介孔炭的组成与结构,采用循环伏安法（CV）以及线性扫描伏安法（LSV）等手段考察了其电化学行为与氧还原反应极化性能.氮气吸附-脱附等温线结果表明,采用三种不同含氮前驱体制备的氮杂炭材料都对应IV型吸脱附等温线以及H4型滞后环,表明所制备的氮杂炭材料具有介孔结构.由TEM可以清楚地观察到氮杂炭材料已经成功地反转了SBA-15模板的孔道结构.同时发现,含氮前驱体对氮杂炭材料的比表面积和孔结构产生较大影响:以吡咯和邻菲罗啉为前驱体制备的炭材料C-PY-900和C-Phen-900的比表面积较高,分别为765和746 m2/,而以苯胺为前驱体制备的炭材料C-PA-900比表面积较小（569 m2/）;三种炭材料平均孔径大小顺序为C-Phen-900（3.7 nm）<C-PY-900（5.0 nm）<C-PA-900（5.9 nm）,这是由于不同含氮前驱体在高温焙烧过程中热分解行为不同所致.XRD结果发现,含氮前驱体对氮杂炭材料的晶型基本没有影响,均为无定形碳.XPS结果表明,采用苯胺、吡咯以及林菲啰啉为前驱体制备的氮杂炭材料中氮含量基本相同,分别为3.13 at%,3.32 at%和3.33 at%,说明在相同热解条件下材料中的氮含量基本不受前驱体的影响,但不同配位环境的氮含量以及氮活化碳原子的含量却有较大差异,其氮活化碳原子的相对含量分别为15.60%,19.87%和23.04%.电化学测试结果表明,三种氮杂介孔炭材料的氧还原反应电催化活性顺序为C-PA-900<C-PY-900<C-Phen-900,其H2O2产率低于30%,说明氧还原反