ACS Nano：Fe-N掺杂双层空心碳微球氧还原反应催化剂的原位自模板合成

【引言】

氧还原反应（ORR）动力学是限制各种电化学转化和储存装置（ECSD）的整体性能的主要因素。铂（Pt）及其合金已成为阴极ORR最常用的电催化剂。但是，它们存在成本高，耐久性差，燃料易渗透等缺点。开发具有高ORR性能的非贵金属催化剂（NPMCs）以取代商业化的Pt基催化剂至关重要。研究发现：铁-氮共掺杂碳材料（Fe-N-C）是一类具有高ORR活性的非贵金属催化剂。其中以二氧化硅球为模板制备的多孔Fe-N-C空心球得到了研究人员广泛的关注。然而需要指出的是，模板法通常需要使用腐蚀剂去除模板，腐蚀过程中可能会对Fe-N-C的组分和结构造成一定程度的损坏。 

【成果简介】

近日，湖南大学的旷亚非教授和周海晖教授（通讯作者）等在ACS Nano上发表了题为“In-Situ Self-Template Synthesis of Fe-N-Doped Double-Shelled Hollow Carbon Microspheres for Oxygen Reduction Reaction”的研究论文，报道了Fe-N掺杂双层空心碳微球氧还原反应催化剂的最新研究进展。 研究人员通过原位聚合和热解法来制备得到了Fe-N共掺杂的双层空心碳微球（Fe-N-DSC）并对其氧还原反应性能进行了研究。研究结果表明，与碱性和酸性介质中的商业Pt/C催化剂相比，Fe-N-DSC表现出优异的氧还原催化活性。高催化性能归因于特殊的多孔双层空心球形结构，不仅可以提供了更多的活性位点，而且有效提高了传质效率。

【图片导读】

图-1. ORR催化剂的制备示意图

图-2. Fe₃O₄、Fe-PPY-DSC和Fe-N-DSC的SEM和TEM图像

(a)-(b) Fe₃O₄的SEM、TEM图像；

(c)-(d) Fe-PPY-DSC的SEM、TEM图像；

(e)-(f) Fe-N-DSC的SEM、TEM图像。

图-3. Fe-N-DSC、N-DSC和Fe-N-SSC的表征

(a) Fe-N-DSC、N-DSC和Fe-N-SSC孔径分布曲线；

(b) Fe-N-DSC、N-DSC和Fe-N-SSC氮的吸附-解吸等温线；

(c) Fe-N-DSC、Fe-N-SSC和N-DSC的XPS N 1s光谱；

(d) Fe-N-DSC和Fe-N-SSC的XPS Fe 2p光谱。

图-4. Fe-N-DSC的TEM图像以及相应的C、N和Fe元素分布图像

图-5. 在N₂/O₂饱和的0.1 M KOH溶液中催化剂的ORR催化活性

(a) Fe-N-DSC，Fe-N-SSC和N-DSC的循环伏安（CV）曲线；

(b) 不同电催化剂在旋转圆盘电极上的线性扫描伏安（LSV）曲线；

(c) Fe-N-DSC在转盘电极上的线性扫描伏安曲线；

(d) Fe-N-DSC在不同转速下的LSV曲线以及不同的电位下相应的Kteteckye-Levich曲线；

(e) Fe-N-DSC的电流-时间（I-t）曲线；

(f) Fe-N-DSC和Pt / C在相对温度下的电流-时间关系曲线。

图-6. 在N₂/O₂饱和的0.5 M H₂SO₄溶液中催化剂的ORR催化活性

(a) Fe-N-DSC、Fe-N-SSC和N-DSC的循环伏安图；

(b)各种电催化剂在转盘上的线性扫描伏安图；

(c) Fe-N-DSC在不同转速下的LSV曲线以及不同的电位下相应的Kteteckye-Levich曲线；

(d) Fe-N-DSC和Pt / C电流-时间的关系。

【小结】

本文通过原位聚合-热解法制备得到了一种新型Fe-N掺杂双层空心碳微球（Fe-N-DSC）。研究结果表明，Fe-N-DSC表现出优于商用Pt / C催化剂的ORR性能；特殊的多孔双层空心球形结构有利于ORR活性位点的暴露和快速传质，有效提高了其电催化性能。该方法具备相当的通用性，制备得到的Fe₃O₄-聚合物基材料及其衍生的Fe-N掺杂的碳基材料，可广泛应用于超级电容器，锂离子电池和水分解领域。

文献链接：In-Situ Self-Template Synthesis of Fe-N-Doped Double-Shelled Hollow Carbon Microspheres for Oxygen Reduction Reaction（ACS Nano,2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b05832）

本文由材料人编辑部新人组胡爽编译，张杰审核，点我加入材料人编辑部。

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