非溶液法制备Fe-N/C多孔材料用于氧还原反应催化的研究

作     者：赵潇潇 

作者单位：北京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许颜清

授予年度：2018年

学科分类：081705[工学-工业催化] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：非溶液法 金属卟啉 金属有机框架 氧还原反应 多孔碳 

摘      要：金属有机框架(MOFs)是一种开放的三维网状骨架材料,具有比表面积高、结构可调控、配位方式灵活及种类多样性等优点。在MOFs类材料中尤其是类沸石咪唑骨架(即ZIFs,MOFs材料的一重要分支)作为前驱体热解得到多孔碳材料近年来得到广泛的研究。前期研究表明,无论ZIF-8(Zn(MIm),MIm=2-甲基咪唑盐)还是ZIF-67(Co(MIm))热解得到的多孔碳材料,都不是理想的氧还原(oxygen reduction reaction,ORR)电催化剂。其中,ZIF-8热解后得到的碳材料虽然具有较高的表面积,但缺少Fe/Co等催化活性位点,石墨化程度较低;ZIF-67热解后的碳材料包含Co-N活性位点,但存在大量金属纳米颗粒的聚集,大大降低了催化活性和比表面积。因此,在保持热解后生成的碳材料具有高比表面积的基础上,增加金属M-N活性中心的分散度就显得至关重要。基于这些考虑,本论文选择一种新型ZIF框架材料,即以Zn和含氮有机配体2-乙基咪唑组装成的具有大的内部空腔(约18.1?)的rho拓扑结构的ZIF为主体框架;采用非溶液法利用机械球磨方式将四苯基金属卟啉(metallotetraphenylporphyrin,M-TPP)作为客体分子成功包裹进ZIF内部空腔形成M-TPP?rho-ZIF复合物;非溶液制备方法具有合成步骤简单,绿色环保,无贵金属,节省成本,批量合成等特点,这种方法简洁高效;最后,将该复合物作为前驱体经过高温锻烧后得到高比表面积的金属/N掺杂的多孔碳材料(M-N/C)作为ORR电催化剂。其中,包入铁卟啉形成的Fe-N/C材料表现最为突出。对比纯框架rho-ZIF与复合材料Fe-TPP?rho-ZIF热解后的产物,后者氧还原性能大大提高,说明铁卟啉的加入是复合材料热解后催化活性高的关键。Fe-N/C材料无论在碱性还是酸性条件下都表现出优良的ORR性能:在0.1 M KOH溶液中,半波电位达到0.895 m V超出20%Pt/C约53m V;在0.5 M HSO溶液中,测得半波电位达到0.744 m V低于商业Pt/C约70m V。分析催化剂的活性如此优异归因于以下几点:(1)该碳材料高的比表面积达到1219.2 cmg使Fe-N活性位点可以充分暴露参与反应;(2)高度有序的多级孔结构(微孔/介孔)分布加速了O在氧还原过程中的扩散和传质过程;(3)铁卟啉包裹进富氮的rho-ZIF多孔框架中,可以保证Fe-N活性位点的形成和原子级别的分布;(4)筛选最优化催化条件在950℃时具有高的石墨化程度,导电性得到明显提升;(5)在时间-电流曲线中循环30000 s后氧还原反应表现出优异的循环稳定性,且在3M的甲醇水溶液中测试耐甲醇性能无明显波动。经过旋转环盘电极(RRDE)测试确定反应路径主要是按照4电子转移过程进行。