提升陰極氧還原反應性能是提高燃料電池使用效率的關鍵。目前使用的貴金屬鉑成本高、自然儲備量低，使燃料電池的推廣應用受到阻礙。而碳基材料具有結構成分可調、成本低廉等優(yōu)點，以此為基礎研究開發(fā)高效的碳基催化劑材料來替代貴金屬顯得十分重要。

?研究方法?

本論文以具有葉片形貌的Zn-ZIF-L為前驅體，利用雙溶劑法制備出Fe摻雜的Fe-ZIF-L，再經過兩步高溫熱解獲得了碳納米管包覆的氮摻雜多孔碳材料。該系列材料具有豐富的孔隙結構、豐富的鐵基活性位點（碳化鐵）以及碳納米管，使得材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化氧還原性能。

成果簡介?

制備出的催化劑材料Fe7%-L-CNT-900具有最大的比表面積、豐富的微介孔結構、較高的石墨化程度、適中的雜原子摻雜，表現(xiàn)出最佳的電催化氧還原性能，起始電位和半波電位分別可達1.040 V和0.88 V，優(yōu)于相同測試條件下的Pt/C材料。該研究結果為設計具有納米復合結構的非貴金屬催化劑提供了一種新思路。

圖文導讀?

圖1. Fe7%-L-CNT-900的合成示意圖。

以Zn-ZIF-L為前驅體，利用雙溶劑法（乙醇和正己烷的混合溶劑體系）引入Fe，第一次高溫煅燒后可得到Fe7%-N/C，再結合雙氰胺進行二次煅燒處理后可制備出目標催化劑。

圖2. (a) Fe7%-ZIF-L的SEM圖。Fe7%-L-CNT-900的 (b) SEM圖，(c-d) TEM圖。

結合SEM、TEM等表征結果可以看到，經過高溫煅燒處理后的碳材料Fe7%-L-CNT-900保留了較為完整的葉片形貌。同時材料表面具有大量碳納米管和Fe3C納米顆粒，從而提升了材料的導電性以及電催化性能。

圖3. 催化劑材料的電化學性能。(a) CV曲線；(b) LSV曲線；(c) Fe7%-L-CNT-900在不同轉速條件下的LSV曲線；(d) Tafel斜率圖。

系列測試結果表明，制備出的一系列催化劑材料具有電催化氧還原性能，其中Fe7%-L-CNT-900的表現(xiàn)最佳；在堿性電解液中起始電位和半波電位分別可達1.040 V和0.88 V。

通訊作者簡介?

葛建平，華東師范大學化學與分子工程學院教授。課題組主要圍繞“膠體光子晶體功能材料”這一主題，從“膠體結構基元制備”、“膠體組裝方法”、“膠體晶功能材料應用”等三個層面開展研究工作，并在能源環(huán)境等催化領域展開部分研究。具體見課題組網頁（http://jpge.ecnu.edu.cn/people.html）。

湯靜，華東師范大學化學與分子工程學院研究員，博士生導師。研究集中在多孔納米材料設計合成，及其在綠色能源、環(huán)境、催化等領域的應用，2020-2021年度科瑞唯安全球高被引科學家。具體見課題組主頁（https://faculty.ecnu.edu.cn/_s34/tj2_21615/main.psp）。

文章信息：

F. Tang, W. Xia, H. Zhang, et al.?Synthesis of Fe-doped carbon hybrid composed of CNT/flake-like carbon for catalyzing oxygen reduction.?Nano Research.?https://doi.org/10.1007/s12274-022-4223-8.

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本文來源：?NanoResearch