| 摘 要： | 质子交换膜燃料电池具有零污染、能量密度高、操作温度低和超静低音等优点,因而广泛应用于新能源汽车动力电源.然而质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应(ORR)过程缓慢且复杂,因此需要大量的高性能ORR电催化剂.商品铂基催化剂是目前最为广泛使用的ORR催化剂,然而其高昂的价格阻碍了燃料电池汽车的商业化进程.因此,近年来人们致力于研发高性能的非贵金属ORR催化剂,并成功获得了具有高ORR活性及优异稳定性的催化剂.然而开发贵金属替代催化剂还存在制备过程较为复杂、单体有毒等缺点.核黄素具有成本低廉、无毒、氮含量高等优点,本文将其直接作为碳源和氮源,以无水氯化铁为铁前驱体,通过简单的一步热解法制备了高性能的Fe–N–C催化剂.表征结果表明,合成的催化剂表面由于氮的掺杂导致石墨烯存在较多的缺陷,其比表面积为301 m~2g~(–1)且孔径分布主要位于45 nm处;催化剂由很薄、卷曲的石墨烯片层和一些颗粒组成,其中的碳材料高度石墨化且存在Fe_2O_3晶体.结合X射线光电子能谱和催化剂的ORR活性,推导出石墨化氮为ORR的主要活性位,铁在ORR反应中也起着重要作用.在氧气饱和的0.1 mol L~(–1) KOH溶液中,Fe–N–C催化剂的ORR活性达到4.16 mA cm~(–2),与商品Pt/C催化剂相当(4.46 mA cm~(–2)).采用计时电流法在0.66 V(相对于RHE电位)下运行3 h后,Fe–N–C催化剂电流仅下降了3%,而Pt/C催化剂下降了40%,表明Fe–N–C催化剂与Pt/C催化剂具有相近的ORR活性,但稳定性比Pt/C催化剂更出色.测试结果表明,Fe–N–C催化剂的抗甲醇毒化性能远优于Pt/C催化剂.在酸性介质中,Fe–N–C催化剂的ORR活性比Pt/C催化剂低,但稳定性更高.总之,该Fe–N–C催化剂在碱性介质中有较高的活性和稳定性,在酸性介质中有较高的稳定性.因此,我们采用廉价、无毒的核黄素作为碳氮源,通过简单的一步热解法制备出的Fe–N–C催化剂能较好地满足燃料电池ORR催化剂高性能和低成本的要求,具有很好的应用前景.
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