“叫化鸡法”制备Co,N共掺杂的碳基高效氧还原反应电催化剂

燃料电池与金属-空气电池等能源储存与转化技术可以直接将化学能通过电化学方式转化成电能,具有低噪音、环境友好、高效的优点,越来越受到人们的广泛关注。该类电池的关键组成部分氧还原反应(ORR)催化剂的性能,往往决定了电池的能量转化效率及其成本的高低。Pt基催化剂是目前广泛应用性能优越的ORR电催化剂,但是其价格昂贵且储量有限难以大规模使用,研究可替代的非铂催化剂显的尤为重要。通过高温热解各种含氮和金属前体(如卟啉,二胺,苯胺,金属有机框架(MOF)或聚碳氮化物),获得的金属和氮掺杂碳(M,N-C)基电催化剂,是一种极有前景的非铂ORR催化剂。然而,目前报道的M,N-C基电催化剂性能和商用Pt基催化剂相比仍有较大差距,因此,如何进一步提高M,N-C基电催化剂的活性依旧是相关领域内重要的研究挑战。

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中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员课题组通过深入的研究发现:高温热解法会造成M,N-C基电催化剂纳米颗粒的不可逆融合和聚集,进一步导致以下副作用:1)纳米颗粒间的孔隙融合减少使得反应物到达活性位点变得困难;2)纳米粒子的聚集减少了活性位点的数量;3)不可逆聚集导致催化剂分散性差,从而使催化电极的制备重复性变差。因此迫切需要找到低成本的新方法克服了纳米颗粒高温热解条件下导致的融合和聚集问题。借鉴传统美食叫化鸡包裹一层泥壳再烤制的制作方法,科研人员以前驱体沸石咪唑酯骨架结构(ZIF)纳米颗粒为例,在其表面包裹一层耐高温纳米级厚度“泥壳”(介孔二氧化硅)后再进行煅烧,有效地抑制了纳米颗粒的团聚和融合,最后再去除表面的“泥壳”,成功地合成了单分散Co,N共掺杂的碳骨架结构,由于有效地解决了纳米颗粒的团聚和融合问题,与直接煅烧的样品相比,比表面积与孔容分别提高1倍和2倍以上,催化活性显著提高。在相同的催化剂载量条件下,在碱性环境中活性甚至超越商业Pt催化剂,酸性环境中的活性也较为接近。该催化剂还具有更好的稳定性能和抗甲醇性能,显示出极好的替代Pt基催化剂的潜力。更重要的是,该研究中的制备方法对其他前驱体制备的M,N-C基电催化剂的性能提高具有借鉴意义。相关结果发表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201505045

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