聚苯胺/石墨烯衍生M-N/PGO催化剂制备及氧还原性能研究

摘要

构筑结构高效且价格低廉的非贵金属氧还原催化剂是直接甲醇燃料电池（DMFC）商业化发展的必经之路。而过渡金属、氮共掺杂碳（M-N-C）材料因其良好的催化性能被认为是最有希望代替贵金属催化剂的材料。但制备M-N-C催化剂常用的碳载体却存在易团聚堆叠的问题，不利于材料形成高效的催化结构，限制了其催化性能的进一步提高。为解决上述问题，本文以对苯二胺功能化石墨烯（PGO）为碳载体，制备了性能优异的M-N/PGO催化剂，并探究了材料微观形貌和结构对其催化性能的影响，为催化材料结构的理论设计提供了实验依据。研究内容及结论如下： （1）以PGO为碳载体，原位聚合的聚苯胺（PANI）为氮源，FeCl3·6H2O为单一金属源，制备了Fe-PANI/PGO催化剂。PGO很好解决了石墨烯片层之间的团聚问题，同时提高了碳载体中的N含量，有利于催化活性位点分布密度的提升。优化后Fe-PANI/PGO催化剂的起始电位和半波电位分别达到0.939V（vs.RHE）和0.871V（vs.RHE），且电子转移数达3.62，表现出优异的催化性能。同时，在经过10000圈循环伏安扫描后，其半波电位仅负移6mV，展现了良好的电催化稳定性。 （2）以PGO为碳载体，PANI和二氰二胺（DCDA）为双氮源，FeCl3·6H2O为单一金属源，通过高温热解制备了Fe-PD/PGO催化剂。双氮源的使用不仅使催化剂中N含量进一步增加，同时保持了较高的N-P/N-G值，增加了催化活性位点的数量。优化后Fe-PD/PGO催化剂的起始电位和半波电位分别达到了0.951V（vs.RHE）和0.886V（vs.RHE），而极限电流则高达5.15mA·cm-2（at0.200Vvs.RHE），且电子转移数达3.98，电催化活性再度提升。此外，在经过10000圈循环伏安扫描后，其半波电位仅负移7mV，拥有良好的电化学稳定性。 （3）以PGO为碳载体，PANI和DCDA为双氮源，FeCl3·6H2O和Co(NO3)2·6H2O为双金属源，制备了FC-PD/PGO催化剂。双金属源的加入使得FC-PD/PGO材料的石墨化程度增加，在提高催化剂导电能力的同时也有利于N-P和N-G活性位点的生成。优化后FC-PD/PGO催化剂的起始电位、半波电位以及极限电流高达0.955V（vs.RHE）、0.864V（vs.RHE）和5.75mA·cm-2（at0.200Vvs.RHE），均优于商业Pt/C催化剂。在经过10000圈循环伏安扫描后，FC-PD/PGO的半波电位仅负移10mV，其稳定性较Pt/C催化剂有明显提升。

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