ZIF--8衍生的铁基纳米碳材料的制备与电化学性能研究
21世纪以来，新能源汽车的发展与应用带动着新一代动力电池系统的研究，燃料电池系统作为未来新能源汽车现有电源的可替代品，被各大高校及科研机构大力研究。其中，燃料电池系统的阴极氧还原反应催化剂正是基础研究热门。作为有潜力替换高性能铂基催化剂的可替代品之一，铁基催化剂中以铁单原子、铁团簇以及铁纳米颗粒为主要催化活性位的碳材料催化剂展现出优异的电化学性能且相对于昂贵的铂催化剂而言其成本大大降低。本课题研究以2-甲基咪唑锌盐即ZIF-8作为碳基底，将金属盐中过渡金属离子吸附于ZIF-8分子孔道表面进行掺杂修饰，基于此设计了两种方法，制备出不同形式活性位的非贵金属铁基催化剂，研究的主要内容和成果如下: 1.通过将盐酸多巴胺包覆于已掺杂铁的ZIF-8分子外表面，碳化后形成大量环绕于ZIF-8周围的碳纳米管，同时掺杂吸附于ZIF-8孔结构中的铁盐在表面形成Fe3C及金属Fe颗粒作为催化活性位点。其中0.2-DPA-Fe/NC材料在0.1MKOH介质中表现出最优的ORR电化学活性，其半波电位达到0.875V，比商业20％Pt/C催化剂(0.855 V)高出20mV。同时材料在酸碱性介质(0.1MKOH和0.1MHClO4)中表现出极强的甲醇耐受性和稳定性。其高活性可归因于大量暴露于材料外表面的Fe3C及金属Fe颗粒，同时盐酸多巴胺掺杂形成的碳纳米管也在一定程度上提高了材料的导电性，从而共同强化了催化反应动力学。 2.采用一步混合浸渍法将铁盐、铜盐混合溶解于含二甲基咪唑和硝酸锌的甲醇溶液，在溶液中乙酰丙酮铜由于其分子尺寸小于ZIF-8空腔尺寸被封装于分子内部，而分子尺寸较大的柠檬酸铁铵大量吸附于ZIF-8分子表面。利用这种空间上的限制防止金属间的聚集，碳化后形成含铁、铜双原子位点的催化剂材料。材料的尺寸直径约80nm，铁和铜的含量分别为1.66wt％和1.58wt％，均匀分布于材料表面。在0.1MKOH中具有最高的起始电位(0.96 V)，表现出0.882V的半波电位，高出Pt/C近40mV，同时优于Fe-NC催化剂(0.858 V)、Cu-NC催化剂(0.825 V)。其动力学电流密度约是Pt/C的3倍，是Fe-NC的近2倍。在酸性介质中FeCu-NC与Pt/C只相差40mV，其在酸碱溶液中均具有优异的稳定性和抗甲醇性。FeCu-NC计算得电子转移数约为3.97，过氧化氢产率低于2％，其ORR动力学为4电子反应过程。此外，FeCu-NC作为空气电极催化剂组装成锌-空气电池，电池峰值功率密度为239mW·cm-2，远超出Pt/C-IrO2催化剂(183 mW·cm-2)。一系列表征可证明FeCu-NC这种高ORR活性可归因于铁单原子和铜单原子的协同作用，具有大比表面积且富含微孔结构的ZIF-8材料利于铁和铜原子活性位的大量附着，同时使更多的活性中心暴露在材料表面。
铁基纳米碳材料;ZIF-8;盐酸多巴胺包覆;氧还原反应;锌空电池;电化学性能
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
曹达鹏
2021
中文
TM242
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）