ZIF-8基氮掺杂非贵金属氧还原催化剂的研究

ZIF-8基氮掺杂非贵金属氧还原催化剂的研究日益恶化的环境及传统能源的枯竭越来越成为21世纪人们需要面临并解决的问题。

氢能作为一种清洁可再生能源得到了人们广泛关注,而质子交换膜燃料电池便是一种高效利用氢能的装置。

但由于其大多采用Pt为原料的催化剂,Pt高昂的成本阻碍了燃料电池的商业化进程。

因此,寻找一种非贵金属催化剂以代替传统铂基催化剂便成为了一种理想解决方案。

金属有机骨架材料(Metal Organic Frameworks,MOFs)由于其独特的孔道结构和极高的比表面积近年来受到人们广泛关注。

其中的沸石咪唑材料
ZIFs(Zeolitic Imidazolate Frameworks,ZIFs)更是其中的研究热点,而ZIF-8作为一种含锌元素的ZIFs,可通过高温条件下热处理使锌元素逸出,从而使生成的材料具有极高的比表面积。

本文首先采用不同方法制备了沸石咪唑骨架材料ZIF-8,并作为前驱体,通过球磨法与醋酸亚铁混合,最后通过高温煅烧得到Fe/N/C催化剂。

发现以水热法所制ZIF-8的形貌均一且比表面积较高,最终所得催化剂性能也较好。

紧接着对催化剂的半电池和全电池测试条件进行优化。

在半电池测试中半波电位达0.773 V;在全电池测试中,当阴极催化剂载量为3 mg/cm2且背压为0.2 MPa时,最大功率密度可达810 mW/cm2。

另一方面,氧化石墨烯由于其特殊的结构及丰富的官能团也被广泛应用于电化学催化剂的制备。

因此在前述Fe/N/C催化剂的基础上掺杂氧化石墨烯,结合相关物理表征和电化学表征,当引入微量的氧化石墨烯后,材料的比表面积上升且微孔所占比例增加,但当加入量过多后性能会出现明显衰减。

在最优原料配比条件下,掺杂氧化石墨烯后催化剂半波电位提升约40 mV,达0.814 V,稳定性也得到明显提升,在扫描10000圈后,性能仅下降约10 mV。

说明引入氧化石墨烯后对催化剂的性能均起到一定的改善作用。

本实验所制备的Fe/N/C催化剂表现出了极佳的活性,未来有望成为一种可商业化的燃料电池非贵金属氧还原催化剂。