基于ZIF-8衍生氮掺杂多孔碳的高稳定性氧还原催化剂 .pdfVIP

基于ZIF-8衍生氮掺杂多孔碳的高稳定性氧还原催化剂

薛师;李静

【摘要】沸石咪唑脂框架8(ZIF-8),高温热解处理得到氮掺杂多孔碳(NPC),通过双

溶剂浸渍法、化学还原法以及酸处理,制备了NPC负载铂铜的开放型合金纳米颗粒

催化体系.通过形貌表征和氧还原催化活性测试,筛选出最佳催化剂,该催化剂也在电

流-时间测试中,表现出卓越的稳定性.其催化性能的提升,主要基于铜的引入对金属

铂的d带中心的调控以及NPC中氮掺杂位点、羰基官能团对于金属纳米颗粒的锚

定作用.

【期刊名称】《应用化工》

【年(卷),期】2018(047)012

【总页数】4页(P2560-2563)

【关键词】ZIF-8;氮掺杂多孔碳(NPC);金属纳米颗粒;氧还原反应;催化性能

【作者】薛师;李静

【作者单位】厦门大学物理科学与技术学院萨本栋微米纳米研究中心,福建厦门

361005;厦门大学物理科学与技术学院萨本栋微米纳米研究中心,福建厦门

361005

【正文语种】中文

【中图分类】O643;O646

在环境污染和能源短缺两大危机的社会背景下，质子交换膜燃料电池因具有高能量

密度、低温运行、环境友好等优点，被应用于交通运输、便携设备及固定发电等领

域[1]。然而，阴极缓慢的氧还原反应消耗大量贵金属铂催化剂，严重制约了燃料

电池的商业化[2]。

降低贵金属铂使用量的常用方法有开发非贵金属催化剂、制备铂与过渡金属合金或

核壳结构材料，以及采用新型载体等[3-6]。然而，非贵金属催化剂在酸性条件下

催化活性差，铂基合金、核壳结构中非贵金属的溶解会污染质子交换膜[7]。本文

以ZIF-8为前驱体制备了新型载体，并以铜为自牺牲模板，制备氮掺杂多孔碳

(NPC)负载的开放型铂基金属纳米颗粒体系，测试其氧还原催化活性和稳定性。

1实验部分

1.1试剂与仪器

六水合硝酸锌、2-甲基咪唑、甲醇、六水合氯铂酸、三水合硝酸铜、正己烷、硼

氢化钠、高氯酸均为分析纯。

JK-SX2-4-13N型马弗炉；SU70型扫描电子显微镜；JEM2100型透射电子显微

镜；UltimaIV型X射线衍射仪；Agilent4500型电感耦合等离子原子发射光谱仪；

CHI760e型电化学工作站；Pine旋转圆盘设备。

1.2催化剂的制备

分别取0.743g(2.5mmol)六水合硝酸锌，0.821g(10mmol)2-甲基咪唑于两个

100mL烧杯中，待完全溶解后，将2-甲基咪唑溶液倾入硝酸锌溶液中，搅拌均

匀后，静置生长24h。离心，获得白色固体粉末，即ZIF-8固体粉末，于鼓风干

燥箱中65℃过夜干燥[8]。样品转入氧化铝坩埚中，置于管式炉中，通入30min

氮气,除去空气后，继续通入氮气，以5℃/min升温至900℃，煅烧6h后，获

得NPC。研磨后，称取50mg于反应瓶中，用正己烷分散，滴加不同量的铂铜前

驱体，干燥后用硼氢化钠还原，获得NPC负载的铂铜双金属纳米颗粒催化体系[9]，

命名为PtXCu@NPC，其中X代表理论设计铂铜质量比。采用高氯酸对样品做酸

化处理，去掉表面的金属铜，相应催化剂命名为PtX-HCu@NPC。

1.3催化剂的氧还原性能评价

采用电化学工作站做循环伏安、线性扫描伏安和电流-时间测试，以表征催化剂的

氧还原催化活性及稳定性。

1.3.1工作电极的制备[10]称取一定量的催化剂粉末于2mL样品瓶中，依次加入

475μL纯水，475μL乙醇，50μL质量分数5%的Nafion溶液，超声30min，

获得均匀分散的催化剂ink。取10μL催化剂ink，分两次滴在旋转原盘电极上

(电极已使用0.3μm的Al2O3抛光打磨，并清洗晾干)，自然晾干。

1.3.2电化学测试将旋转圆盘电极、参比电极(汞-硫酸亚汞)、对电极(石墨电极)

等接在电化学工作站相应导线上，将旋转圆盘电极置于电解池中电解液液面下，向

电解质溶液中通入氧气至饱和，即可进行电化学测试。

2结果与讨论

2.1SEM分析

在合金化催化剂中，金属铜的引入量对于d带中心的调节非常重要[11]，因此，分

别制备了Pt1Cu@NPC、Pt2Cu@NPC和Pt4Cu@NPC，其SEM见图1。

由图1可知，尽管铜的引入量有所不同，但铂铜双金属纳米颗粒都能够以比