高负载Fe基单原子催化剂的制备与性能研究
过渡金属单原子催化剂(TM-SACs)由于原子利用率、低成本、活性易调等优点成为了催化领域内的研究新前沿。特别是Fe基SACs材料被证明是氧还原反应(ORR)中可替代贵金属的催化剂之一。然而，在制备Fe基SACs过程中仍然存在金属原子易聚集的困难。已报道的工作中SACs金属负载量多小于3wt％，无法满足实际应用。基于此，本文提出了一种“双重隔离”策略合成高负载Fe基SACs，系统的探究了ZIF前驱体结构及其客体分子的种类对阻碍Fe原子聚集的作用，表征了Fe基SACs的结构与组成，探究了其合成机理及ORR性能，主要研究成果如下: 1.通过“双重隔离”策略合成了一系列Fe基催化剂材料。采用ZIF-8笼包不同客体分子制备出了一系列ZIF-8衍生的Fe基催化剂，客体分子与Fe离子的络合及高温热解后碳基材料的三维中空结构共同导致了材料中Fe原子的高度分散。结果表明:当客体分子选用苯硼酸或1，4-对苯二硼酸时，可以一步热解制备得到Fe基SACs，分别为B@ZIF-8-Fe-C和2B@ZIF-8-Fe-C，客体分子中硼酸基团数量的不同导致络合Fe离子数量不同，其中2B@ZIF-8-Fe-C催化剂中Fe原子含量高达6.64wt％，高于B@ZIF-8-Fe-C催化剂Fe含量为5.49wt％，也高于目前报道的绝大多数SACs。这种高负载的优势体现在了ORR活性上，2B@ZIF-8-Fe-C半波电位E1/2为890mV，而B@ZIF-8-Fe-CE1/2为880mV。此外，我们还将此方法推广到了Mn和Co基等过渡金属催化剂体系中，也成功制备得到SACs，证明了该方法的普适性。 2.将2B@ZIF-8-Fe-C的单原子Fe负载量进行进一步的提升。在合成2B@ZIF-8-Fe-C的基础上，我们增加了Fe前驱体加入量，并且在高温热解过程中引入额外N源(NH3)，最大限度地提升了催化剂中Fe原子的负载量，当Fe前驱体加入量达到110mg时，催化剂中单原子负载达到饱和状态，催化剂中Fe原子负载量相较之前提高了6.16wt％，高达12.8wt％，优于目前所有ZIF-8衍生的SACs，其在碱性电解液中的半波电位E1/2高达914mV，证明了高负载型单原子催化剂在ORR方面的优越性。
Fe基电催化剂;高负载型单原子催化剂;氧还原反应;高温热解
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
程元徽
2021
中文
TQ426.94
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）