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。……