可磁分离的铁酸钴/氮掺杂石墨烯复合物作为优异的氧还原催化剂

Small-qinglihao      燃料电池作为一种将燃料的化学能直接转化为电能的发电装置,因具有发电高效性、燃料多样性、环境亲和性等诸多优点受到广泛关注,而其阴极氧还原反应的动力学缓慢问题却是燃料电池的发展的瓶颈之一。目前商业化的阴极铂触媒造价昂贵,容易中毒,使用寿命不理想,因此研发生产成本低,催化性能高,使用寿命长的非铂体系材料成为该领域研究的一个重要方向。南京理工大学郝青丽教授针对这一问题,进行了细致深入的研究,通过简单的制备方法合成了催化活性高,稳定性优异的铁酸钴/氮掺杂石墨烯(CoFe2O4/NG)复合材料,并针对这一复合物在碱性媒介中的氧还原催化性能及其影响催化性能的因素进行了详细阐述。

     在催化活性方面,CoFe2O4/NG既非常有效的利用了石墨烯本身优异的特性,如电子传导快,比表面积高,稳定性好等,又通过掺杂氮元素对石墨烯进行结构改性,增加了氧还原反应的活性位点。并且在此基础上结合多元复合金属氧化物CoFe2O4的负载,额外增加了Co/Fe-N这样的活性中心,表现出更接近4电子的反应途径,大大提高了氧还原的催化效率。该氮掺杂石墨烯负载的尖晶石结构的多元金属氧化物表现的氧还原催化活性远远优于非掺杂石墨烯负载的复合催化剂、单一金属氧化物及其与氮掺杂石墨烯复合催化剂的活性。与商业Pt/C的对比,CoFe2O4/NG具有优异的耐甲醇和CO中毒特性,且稳定性极高。该CoFe2O4/NG催化剂在制备时可以利用可磁性分离特性,用简单、高效的磁分离替代多次的离心分离,大大简化了制备方法,节约了实验时间。在文章中,通过多组对比实验,他们发现高性能的催化活性的主要得益于:1.石墨烯的支撑;2.氮元素的掺杂;3.CoFe2O4复合金属氧化物与氮掺杂石墨烯的结合(Co/Fe-N);4.CoFe2O4的尖晶石结构。

相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201502322)上。