S掺杂促进Fe/N/C催化剂氧还原活性的实验与理论研究
2018-01-10周志有张新胜孙世刚
物理化学学报 2017年9期
陈 驰 张 雪 周志有 张新胜 孙世刚,
S掺杂促进Fe/N/C催化剂氧还原活性的实验与理论研究
陈 驰1,2张 雪2周志有2张新胜1,*孙世刚1,2,*
(1华东理工大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,上海 200237;2厦门大学化学化工学院,固体表面物理化学国家重点实验室,厦门 361005)
向Fe/N/C非贵金属催化剂中再引入S掺杂是进一步提高其氧还原催化活性的有效方法。为了探究活性提高的原因,本文以三聚氰胺-甲醛树脂为前驱体,氯化钙为模板,氯化铁为铁源,通过添加硫氰化钾(KSCN)来控制热解催化剂的S掺杂量。通过对比分析催化剂的物化性质,结合密度泛函理论(DFT)计算,分析S掺杂促进Fe/N/C催化剂氧还原活性的原因。透射电子显微镜(TEM)和N2吸脱附等温线测试结果表明,S元素可抑制含铁纳米粒子的形成,促使形成多孔碳结构,提高比表面积。X射线光电子能谱(XPS)结果表明,适量S前驱体可实现较高的S掺杂含量,得到最优的活性,过量的S反而会导致Fe和S的掺杂量同时降低,影响活性。DFT计算结果表明在Fe-N4大环中引入S掺杂,可增强O2分子和中间体OOH与Fe-N4结构中的Fe的相互作用,促进形成Fe―O键,从而导致O―O键的键能显著降低,为后续反应O―O键的断裂提供可能,促进ORR反应的进行。
氧还原反应;非贵金属催化剂;Fe/N/C材料;S掺杂;密度泛函理论
1 引 言
质子交换膜燃料电池(PEMFC)可将化学能直接转化为电能,不受卡诺循环的限制,因其转化效率高、清洁无污染等优点备受关注1。催化剂是燃料电池的核心部件,其主要活性组分为铂。但是铂的价格昂贵、储量稀少、易中毒失活,导致燃料电池成本居高不下,使用寿命无法满足实际应用需求2。……
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