中科大Energy Environ. Sci.：SiO2保护壳模板法合成Fe-N掺杂碳纳米纤维及其增强氧还原反应性能

【引言】

在许多储能和转换装置中，电催化还原氧起着至关重要的作用。但是在酸性介质中，开发高性能碳基非贵金属（NPM）氧还原反应（ORR）催化剂，仍然是一个巨大的挑战。本文采用SiO₂保护壳模板法和热液碳纳米纤维和吡咯为前驱，获得了一种经济性很高的中孔/微孔Fe-N掺杂的碳纳米纤维（Fe-N-CNFs）催化剂。

【成果简介】

近日，中国科技大学俞书宏和梁海伟（共同通讯）作者等人通过SiO₂保护壳模板方法制备，制备了一种高活性的中孔/微孔Fe-N掺杂的碳纳米纤维（Fe-N-CNFs）催化剂。SiO₂保护壳不仅可以限制了铁的自由迁移，而且还限制了高温热解过程中挥发性气态物质的捕获，同时优化了Fe-N-CNFs催化剂的表面官能和多孔结构。与没有SiO₂保护壳制备的催化剂相比，Fe-N-CNFs催化剂在酸性介质中具有显着提高的ORR活性和优异的稳定性。相关成果以“SiO₂-protected shell mediated templating synthesis of Fe-N-doped carbon nanofibers and their enhanced oxygen reduction reaction performance”为题发表在Energy & Environmental Science上。

【图文导读】

图 1 up-Fe-N-CNFs（顶部）和p-Fe-N-CNFs（底部）催化剂的制备示意图

图 2 up-Fe-N-CNFs和p-Fe-N-CNFs催化剂的显微结构表征图

（a）up-Fe-N-CNFs的SEM图像；

（b）up-Fe-N-CNFs的HADDF-STEM图像；

（c）p-Fe-N-CNFs的HADDF-STEM图像；

（d）p-Fe-N-CNFs的元素mapping图。

图 3 up-Fe-N-CNFs和p-Fe-N-CNFs的孔分布和XPS图

（a）up-Fe-N-CNFs和p-Fe-N-CNFs的氮气脱吸附曲线图；

（b）up-Fe-N-CNFs和p-Fe-N-CNFs的孔径分布图；

（c）Fe-N-CNFs催化剂的XPS谱图；

（d）p-Fe-N-CNFs中N 1s的XPS谱图。

图 4 up-Fe-N-CNFs，p-Fe-N-CNFs的K-边XANES谱图和WT图

（a）up-Fe-N-CNFs，p-Fe-N-CNFs和文献中（FePc和Fe）的Fe K-边XANES谱图；

（b）up-Fe-N-CNFs，p-Fe-N-CNFs和文献样品的EXAFS的傅里叶转换图；

（c）Fe₂O₃的Wavelet转换（WT）图；

（d）Fe的WT图；

（e）p-Fe-N-CNFs的WT图；

（f）up-Fe-N-CNFs的WT图。

图 5 up-Fe-N-CNFs和p-Fe-N-CNFs的电化学性能图

（a）up-Fe-N-CNFs，p-Fe-N-CNFs和Pt/C的CV曲线图；

（b）up-Fe-N-CNFs，p-Fe-N-CNFs和Pt/C的LSV曲线图；

（c）不同旋转速率下，p-Fe-N-CNFs的LSVs曲线图；

（d）在0.45 V vs. RHE下，p-Fe-N-CNFs和Pt/C的计时安培试验图。

图 6 SCN^-对p-Fe-N-CNFs和up-Fe-N-CNFs的影响图

（a）SCN^-（10 mM）与p-Fe-N-CNFs的ORR活性关系图；

（b）SCN^-（10 mM）与up-Fe-N-CNFs的ORR活性关系图。

【小结】

本文开发了一种有效的SiO₂保护壳热解方法，合成高活性的中孔/微孔Fe-N-CNFs催化剂。与未经SiO₂保护的催化剂相比，p-Fe-N-CNFs催化剂在起始电位，半波电位和电子转移数方面表现出很大的ORR性能。p-Fe-N-CNFs催化剂的优异的ORR性能与其较多的铁/氮活性位点，高比表面积，分层中孔/微孔结构和高度石墨化碳密切相关。这种SiO₂保护的热解策略，可以应用于制备其他用于析氢反应，析氧反应和非均相催化反应的具有高性能的碳基NPM催化剂。值得注意的是，本文不是采用含金属卟啉或沸石咪唑酯骨架作为前体，而是选用价格较低的热液碳纳米纤维和吡咯为前驱。此外，这种方法将更容易扩展为制备其他金属/N/C（Co，Ni，Mo等）催化剂或双金属/N/C催化剂以及其他电催化反应。

文献链接：SiO₂-protected shell mediated templating synthesis of Fe-N-doped carbon nanofibers and their enhanced oxygen reduction reaction performance（Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE00673C）

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