盐模板法构筑非贵金属三维孔道结构及其氧还原催化活性.pdf

摘要

燃料电池、金属-空气电池属清洁、高效的绿色电源，具有广阔的发展前景。氧还原

反应(Oxygenreductionreaction,ORR)是燃料电池和金属-空气电池中必不可少的半反应。

催化剂是影响ORR反应动力学的关键因素，目前以铂等贵金属为主的催化剂虽然性能

优异，但价格昂贵。非贵金属催化材料因其价格优势，具有很好的应用前景，但其活性、

稳定性有待进一步提高。在各类氧还原催化剂当中，构筑三维孔道结构有利于实现电催

化过程中反应物/产物的快速扩散，提升催化剂的传质效率，从而提高ORR电催化活性。

鉴于此，探索具有三维孔道结构并担载有过渡金属化合物位点的杂原子掺杂碳材料，具

有重要的研究意义。

本论文以基于氯化钠的模板原位辅助热解策略，构建了系列过渡金属化合物锚定的

杂原子掺杂三维孔道结构碳基催化剂，对其物理性质和电化学性能进行了系列表征，并

系统地研究了催化剂结构与电化学性能间构效关系，具体研究内容如下：

1、将氯化钠作为模板剂，通过盐模板辅助原位生长策略，制备了CoS/MoS异质

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结构锚定的N,S共掺杂三维碳纳米片催化剂CoS/MoS@NS-3DCNs。该催化剂是由超

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薄纳米片进一步组装堆叠的三维结构，其较大的比表面积与分级多孔结构促进了活性位

点暴露，加快了传质过程。此外，催化剂中丰富的异质界面在提供更多活性位点的同时

优化了含氧中间体的吸附能力，促进ORR过程进行。电化学测试结果表明该催化剂具

有良好的ORR活性与稳定性，以其作为阴极催化剂组装的一次锌-空气电池具有良好的

放电性能。

2、以海藻酸钠为主要碳源，将氯化钠作为构建三维结构的模板剂，利用冷冻干燥和

原位热解技术，制备了由金属硫化物FeS与CoS共锚定的N,S共掺杂三维多孔网状

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杂化材料FeS/CoS/3D-NSC。该催化剂具有较大的比表面积与三维分级多孔网状结构，

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有利于增加有效活性位点的数量，促进电解液的渗透与气体扩散。海藻酸钠的加入在促

进三维孔道形成的同时也有助于对金属离子的锚定作用。电化学测试结果表明该杂化材

料具有较好的ORR催化活性，以其作为阴极催化剂应用于一次锌-空气电池具有较高的

功率密度。

3、采用氯化钠与硅酸钠作为混合盐模板，经过冷冻干燥、热解以及除模板过程，制

备了碳化铁(FeC)纳米颗粒锚定的氮掺杂三维网络结构催化剂FeC@3DN-CNs。该催化

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剂由紧密堆叠的三维多孔碳网络构成，FeC纳米颗粒均匀分布在碳基质中。其中，三维

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分级多孔结构碳骨架有利于增强催化剂与电解液之间的界面接触，FeC纳米颗粒有利

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于活化水分子，产生与O*和O*中间体结合的质子，使得该催化剂在碱性介质中表现出

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良好的ORR电催化活性与稳定性，以其作为空气阴极催化剂组装的一次锌-空气电池表

现出较好的放电性能。

综上所述，我们以低成本、环境友好的氯化钠作为主要的模板剂，通过盐模板原位

辅助热解策略得到了一系列过渡金属化合物锚定的杂原子掺杂三维多孔碳材料。对其进

行物理表征及电催化性能测试，结果表明过渡金属化合物的引入与三维分级多孔结构的

形成对催化剂的ORR电催化性能与传质性能具有协同促进作用。

关键词：ORR，电催化，过渡金属化合物，三维孔道结构，氯化钠模板

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