ACS Nano: 研究发现“Fe−N 掺杂碳”优异的催化活性可替代传统商用“Pt/C”催化剂

西班牙国家研究委员会（CSIC）的研究人员发现“Fe−N 掺杂碳” (Fe−N−CC)催化剂是传统铂催化剂的有效且成本更低的替代品。碱性离子交换膜燃料电池与 作为阴极催化剂的Fe−N 掺杂介孔碳球组装在一起，可提供与商用 Pt/C相匹配的电流和功率密度，这充分证明了 Fe−N 掺杂碳催化剂的实用性。

痕量铁中高比表面积的N 掺杂介孔碳球在碱性和酸性条件下的氧化还原反应过程中，都表现出优秀的催化活性。在碱性条件下，它表现出比商业用的 Pt/C更高的初始电位（0.94 V vs RHE) 和半波电位 (0.83 V vs RHE)；而在酸性介质中，其初始电位与商业用的过氧化氢的产率低于 10%的 Pt/C的初始电位相当 。

Fe−N 掺杂碳催化剂具有优良的催化活性且性能稳定性（在0.6至1.0VvsRHE 之间能循环3500个周期），这种稳定性来源于铁与氮之间的高度协调性。此外，与商业用的Pt/C相反，新开发的电化学催化剂是不受酸性和碱性介质中甲醇的交叉效应的影响的。在很多的相关的酸性介质中，Fe−N 掺杂碳优异的催化活性可归因于各种化学反应的组合 (吡啶 N，四元N和 Fe−N 配位) 和结构特性 （表面积大，介孔结构开放和扩散路径短），这些特性保证了催化剂的高活性、催化部位能充分接触以及动力学上实现快速传质。下文的图文导读就对这种催化剂的特性进行了形象的描述。

图文导读：

图一：Fe-N掺杂中空碳球的合成过程示意图

图一：为合成多孔中空碳球，研究人员由介壳和核心组成其结构的二氧化硅粒子为模板，以吡咯为炭前体和 N 掺杂剂。二氧化硅粒子的气孔浸渍在 FeCl3溶液中，然后渗透在吡咯蒸气中迅速聚合形成聚吡咯。随后，二氧化硅−聚吡咯复合材料碳化，硅框架和大部分的铁被溶化在氢氟酸中，最终形成 Fe−N 掺杂碳。

图二：中空碳球的扫描电镜图及其孔隙尺寸分布图

图二：(a)为中空碳球的扫面电镜图片 (插图： 为由多于200个粒子统计得到的粒径分布)； (b) 中空碳球的高倍扫面电镜图片；（c）为 采用KJS(Kruk−Jaroniec−Sayari)分析法的孔隙尺寸分布图，其内部插图为应用于 N2 吸附分支的αs 图； (d) 为Fe−N−CC的N 1s 级谱的XPS（X射线光电子能谱法）图。

图三：Fe-N-CC中的铁和氮浓度分布

图三：a图为Fe-N-CC碳材料的扫描电镜图片 ；b 图为 相应于a图中红线处的铁和氮的浓度分布。

图四：Fe−N−CC 和 Pt/C 催化剂在不同条件下的 RDE （旋转圆盘电极）极化曲线与电子转移数量和过氧化氢产量的对比

图四：(a-b)图为在1600 转/分条件下，Fe−N−CC 和 Pt/C 催化剂在不同环境中的 RDE （旋转圆盘电极）极化曲线的对比，其中（a) 为0.1 M（mol/L）的氢氧化钾； (b) 为0.5 M 的硫酸。（c-d）图为Fe−N−CC 碳球和 Pt/C 催化剂在不同环境下的电子转移数量和过氧化氢产量 的对比，其中（c)为0.1 M 氢氧化钾，（d) 为0.5 M的硫酸。Fe−N−CC 和 Pt/C催化剂的催化剂荷载均为0.1 毫克每平方厘米 。

图五：氰离子对线性扫伏安法 (LSV) 的测试结果的影响

图五：黑色线和红色线分别表示：没有添加氰离子和添加氰离子（10mM KCN）的情况下，在氧气氛围中以1600转/分的转速、10毫伏每秒的条件下的线性扫伏安法 (LSV) 的测试结果。

图六：循环周期及甲醇对极化曲线的影响

图六：（a-b）为在经过3500次循环使用后，Fe−N−CC 和 Pt/C在1600转/分的转速，氧气氛围中的线性扫伏安法 (LSV) 的测试结果 对比，（a)为0.1M 氢氧化钾环境， (b) 为0.5 M 硫酸环境；（c） 图为0.1M的氢氧化钾的氧饱和溶液中， Fe−N−CC 和 Pt/C 催化剂在0.68V电压下，以1600转/分的恒定转速运行超过1000秒之后的计时响应比较（箭头指示的甲醇加入）；(d)图为 Fe−N−CC 在 0.5 M 硫酸的氧饱和溶液中加2M甲醇（黑色） 和不加甲醇（红色）的极化曲线。

图七： Fe-N-CC 和 Pt/C的极化曲线和功率密度的对比

图七：以 Fe-N-CC 和 Pt/C为阴极催化剂（0.2毫克每平方厘米）的碱性交换膜燃料电池在50 ℃ 时的极化曲线和功率密度图。

原文参考链接：Fe−N-Doped Carbon Capsules with Outstanding Electrochemical Performance and Stability for the Oxygen Reduction Reaction in Both Acid and Alkaline Conditions

感谢材料人编辑部提供素材