昆虫翅膀基碳材料的氧还原性能研究

摘要

高效、清洁的燃料电池的发展在解决环境污染和能源问题上有着重要作用。但是，当前阴极氧还原反应（ORR）催化剂主要是 Pt/C 催化剂，而铂的稀缺、价格昂贵致使燃料电池成本过高，阻碍了燃料电池的大规模应用。于是，寻找可以替代铂的催化剂成为人们的首要目标。其中，碳基 ORR 催化剂因其良好的稳定性，抗中毒能力和低的过氧化氢产率而成为研究的热点。目前，如何进一步提高这类催化剂的催化活性是当前燃料电池领域的主要研究课题。基于此，本文首次提出以昆虫翅膀为原材料合成铁氮掺杂的碳基ORR催化剂。 将蝴蝶翅膀作为载体和碳源，引入铁源、氮源，经过高温热处理、酸洗处理及二次热处理等工艺，制备出具有优异 ORR 性能的铁氮掺杂的碳基催化剂。电化学测试表明该催化剂的半波电位是0.948 V，超过Pt/C催化剂近76mV；0.8 V下的H2O2产率仅为0.55%，低于Pt/C催化剂（2.15%）；另外，经5000个电势循环和10000 s时间-电流稳定性测试后，半波电位仅有5 mV的负偏移，极限电流只有2.8%的衰减。随后，通过扫描电子显微镜，透射电子显微镜，X射线衍射分析，拉曼光谱，比表面及孔径分析等手段揭示了催化性能与结构的关系。 另外，使用蝉翅膀和蜻蜓翅膀作为载体和碳源，使用相同试剂材料，经过同样的制备工艺制备出具有优异 ORR 性能的铁氮掺杂的碳基催化剂。分别地，其半波电位高到0.947V和0.954V，0.8 V下的H2O2产率仅为0.19和0.34；另外，经5000个电势循环和10000 s时间-电流稳定性测试后，催化剂循环稳定性很好，极限电流分别衰减5.6%和11.7%。 本论文的研究工作的开展为设计高效稳定的碳基 ORR 催化剂提供了一种新的思路，即可以直接利用具有独特微纳结构的昆虫翅膀作为碳源原材料进行 ORR 催化剂的研究。

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