厦门大学Adv. Mater.通过碳纳米管交联热解ZIF提高质子交换膜燃料电池中的氧还原性能

引言

具有高效热动力学能源转化效率的质子交换膜燃料电池是一种潜在的绿色能源。由于没有高效的氧还原非贵金属催化剂，质子交换膜燃料电池的发展受到了限制。而由金属有机混合物前体热解得到的过渡金属氮碳化物表现出了潜在的氧还原性能。目前为止，只有较少的报道研究使用热解的ZIFs作为氧还原催化剂。

成果简介

近日，厦门大学化学化工学院汪骋、周志有和林文斌（共同通讯）等报道了热解铁掺杂的ZIF-8得到Fe-N-C催化剂，对氧还原具有优异的催化性能。该团队将铁锌双金属ZIF与碳纳米管复合，通过碳纳米管的交联提高材料的导电性及质子传输效率，再通过热解浸入糠醇的ZIFs，得到具有更多活性位点的催化剂。

图文导读

合成示意图

上图：锌与铁的前体物与2-甲基咪唑合成ZIF’，在糠醇中浸泡过夜后热解形成ZIF’-FA-p；

下图：锌与铁的前体物与2-甲基咪唑、碳纳米管合成ZIF’-CNT，在糠醇中浸泡过夜后热解形成ZIF’-FA-CNT-p。

图1. 材料的形貌表征

（a）ZIF’的TEM图；（b）ZIF’- p的TEM图；（c）ZIF’- CNT的TEM图；

（d）ZIF’-FA-CNT-p的TEM图;（e）ZIF’- p的mapping图;（f）ZIF’-FA-CNT-p的mapping图。

图2. 材料的XRD图

图3. ORR催化性能

上图：ORR的极化曲线；下图：对应的H₂O₂产率。

图4. 材料性能

（a）左边实心信号为极化曲线，右边空心信号为功率密度；

（b）左边实心信号为iR-free极化曲线，右边空心信号为高频电阻率；

图5. 孔隙度表征

不同样品的BET图（插图为对应的孔隙度分布图）

结论

文章报道了通过引入碳纳米管提高热解双金属ZIFs后的导电性与质子传输效率，提高质子交换膜燃料电池的氧还原性能。该工作强调了在质子交换膜燃料电池中氧还原催化剂的分级结构对提高电子、质子传输的重要性。作者的这种在非贵金属催化剂引入碳纳米管提高导电性以提高质子交换膜燃料电池性能的思方法为后续的工作提供了一个新的思路。

文献链接：

Networking Pyrolyzed Zeolitic Imidazolate Frameworks by Carbon Nanotubes Improves Conductivity and Enhances Oxygen-Reduction Performance in Polymer-ElectrolyteMembrane Fuel Cells （Adv. Mater. 2016, DOI: 10.1002/adma.201604556）

本文由厦门大学蓝龙轩投稿，材料人网编辑整理。

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