原位构筑三维有序自支撑Co-N-C一体化电极并用于高效电催化氧还原反应

开发高效非贵金属氧还原反应(ORR)催化剂是降低质子交换膜燃料电池(PEMFC)成本,实现其大规模商业化应用的关键.目前,过渡金属-氮-碳(TM-N-C)被认为是最有希望替代Pt的非贵金属催化剂.然而,尽管在半池测试中展现出较好的ORR性能,但当将其组装到PEMFC核心部件膜电极(MEA)中时,其单池性能远低于Pt/C催化剂.因此,未来需要进一步优化TM-N-C在全电池环境中的性能.本文提出了一种原位策略,成功构筑了TM-N-C三维有序一体化ORR电极.通过结合碳纸亲水处理和化学气相沉积技术,在含氧官能团修饰的碳纸(OCP)上原位构建了Co,N共掺杂碳纳米管(N-CNTs@Co)自支撑三维有序一体化电极.该独特的三维有序网络结构不仅使反应物(H_(2),O_(2)和H_(2)O)和质子(H+和e–)的传输通道处于有序状态,降低了实际工况条件下的浓差极化,还避免了催化层传统制备过程(如涂覆、喷涂和流延法)引起的催化剂活性位点团聚或包埋,从而提高了催化剂的利用率.X射线光电子能谱分析表明,优化后的一体化电极试样(N-CNTs-20@Co/OCP,其中20代表CNT生长时间为20 min)具有最高的吡啶N和石墨化N含量,而吡啶N和石墨化N被普遍认为是N掺杂碳材料在电催化ORR中的活性位点.因此,该N-CNTs-20@Co/OCP一体化电极在酸性(0.1 mol L^(‒1)HClO_(4))和碱性(0.1 mol L^(‒1)KOH)介质中均展现出与商用Pt/C(20 wt%)喷涂在CP(0.2 mgPt cm^(‒2))上制备的传统电极相当的ORR性能.密度泛函理论计算进一步揭示了其性能提升的机制:Co纳米颗粒被封装在碳纳米管内部并作为电子供体,通过电子隧穿效应,强化了N-CNTs@Co/OCP催化剂表面对氧的吸附,进而提高了电催化ORR性能.此外,封装在碳纳米管内部的Co纳米颗粒避免了与电解液的直接接触,从而显著提高了催化剂的稳定性.综上,本文不仅为基于非贵金属ORR催化剂三维有序一体化电极的构筑提供了有益的理论储备和实验技术积累,而且对于降低燃料电池成本以及推动燃料电池产业化进程提供了一定的参考.

(Co_(x)Fe_(1-x))_(2) P@NCNTs催化剂的制备及其在酸性电解质中的氧还原反应

提高非贵金属催化剂氧还原反应(ORR)性能对实现质子交换膜燃料电池的大规模应用至关重要,我们通过简单的一锅法合成了氮掺杂碳纳米管包覆铁掺杂磷化钴纳米颗粒催化剂((Co_(x)Fe_(1-x))_(2) P@NCNTs)。研究发现掺入的Fe离子可促进电子转移,增强(Co_(x)Fe_(1-x))_(2) P与N掺杂碳纳米管之间的协同作用,间接调控氮掺杂碳材料中吡啶氮和缺陷位点的含量,从而提高Co_(2) P基催化剂在酸性电解质中的ORR催化性能。起始位点、半波电位和极限电流均远高于Co_(2) P@NCNTs,且具有更强的抗甲醇能力和稳定性。