在高度石墨化的多孔碳基質(zhì)上負載高密度的Fe-N
x位點對于開發(fā)鐵/氮摻雜碳（Fe-N/C）電催化劑至關重要，這些兼具高氧還原反應（ORR）活性和高穩(wěn)定性的催化劑可用于質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。在此，我們報道了Fe/N摻雜的碳納米管（CNTs）的生長過程，它是通過熱解Fe/N摻雜的碳納米管種子負載的Fe摻雜沸石咪唑框架化合物（Fe-ZIF-8）前驅(qū)體實現(xiàn)的。這樣的種子法生長使原本就具有Fe-N
x位點的Fe-ZIF-8前體成功轉(zhuǎn)化為大量被高密度Fe-N
x位點摻雜的次級CNT，同時保持高度石墨化。產(chǎn)生的催化劑具有高密度的Fe-N
x活性位，多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，增強的導電性和改善的抗腐蝕能力。從而提高了PEMFC的性能和耐久性（相比于Fe-ZIF-8熱解后所得的催化劑，即Fe-ZIF’）。此外，高度石墨化的結(jié)構(gòu)與枝狀分級結(jié)構(gòu)使得碳納米管網(wǎng)絡具有高疏水性，可有效去除水，因此減緩了催化劑的性能衰減。高度石墨化的枝狀分級CNT中Fe-Nx活性位點的成功引入為開發(fā)耐用的高活性無貴金屬ORR電催化劑開辟了新道路。
Figure 1. （a）Fe-ZIF’/CNT催化劑的合成路線示意圖。（b）初級Fe-N/CNT催化劑的TEM圖像。（c，d）Fe-ZIF’/ CNT-1催化劑的代表性的SEM和TEM圖像，顯示出許多次級CNT和初級Fe-N/CNT表面上生長的石墨化納米殼。（e-g）Fe-ZIF’/ CNT-1催化劑的球差校正HAADF-STEM圖像，其中虛線圓圈表示單分散Fe位點。（g）的插圖顯示了Fe-N
x摻雜的納米殼層模型。（h）Fe-ZIF’/CNT-1中C，N和Fe的STEM-EELS元素分布圖。（i，j）在初級CNT（i）和次級CNT（j）中N和Fe的平均原子含量的EELS定量分析。
Figure 2. 催化劑的結(jié)構(gòu)表征。（a）XRD譜圖。（b）N
2吸脫附等溫線，插圖顯示相應的基于BJH方法的中孔尺寸分布曲線。（c）N 1s 的XPS光譜。（d）樣品中總氮和配體N（Fe-N
x中的N）的原子含量比較。
Figure 3. 0.1 M HClO4電解質(zhì)中的電化學表征，通過RDE測得。（a）N
2飽和電解液中，第一次循環(huán)所得CV曲線。（b）N
2飽和電解質(zhì)中的SWV測試。（c）LSV曲線和（d）相應的Tafel圖。（e）Fe-ZIF’/CNT-1和（f）Fe-ZIF’催化劑經(jīng)過加速壓力測試后的LSV曲線。
Figure 4.（a）在單個H
2-O
2 PEMFC中測試的極化曲線和相應的功率密度-電壓圖。（b）恒定電流密度為0.5 A cm
-2時PEMFC的Nequsit圖。（c）成品催化劑的接觸角測量。（d）在單個H
2-O
2 PEMFC中，恒定電壓為0.4 V 下的加速壓力測試。
本研究于2020年由清華大學深圳國際研究生院的 Lin Gan和Feiyu Kang課題組發(fā)表于Carbon（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.02.046）
原文：Seeded Growth of Branched Iron-Nitrogen-Doped Carbon Nanotubes as a High Performance and Durable Non-Precious Fuel Cell Cathode
