二次金属ドーピングによる鉄・窒素・炭素触媒の構造と反応性の影響
Fang Luo1, Aaron Roy2, Moulay Tahar Sougrati2
1Department of Chemistry, The Electrochemical Catalysis, Catalysis and Materials Science Laboratory, Chemical Engineering Division, Technical University Berlin, Straße des 17. Juni 124, 10623 Berlin, Germany.
双金属鉄金属窒素炭素 (FeMNC) 触媒は酸素還元反応 (ORR) の活性が強化されている. 鉄-窒素-炭素 (FeNC) 触媒にチンやコバルトを加えると,特定の鉄-窒素-炭素活性部位を好むことにより,周回頻度が増加します.
科学分野:
- 材料科学
- 電気化学
- カタリシス
背景:
- 二金属鉄金属窒素炭素 (FeMNC) 触媒は,酸性環境における酸素還元反応 (ORR) に有望である.
- FeMNC触媒の活性部位と金属の相互作用を理解することは,その性能を最適化するために極めて重要です.
- 過去の研究では 活動が改善されたことが示されていますが 背後にあるメカニズムは不明です
研究 の 目的:
- FeSnNCとFeCoNCの触媒における活性部位と金属相互作用の性質を明らかにする.
- 二金属FeMNC触媒の構造と触媒の性質を,その単金属触媒と比較する.
- 二次金属 (Sn,Co) がORR活性を増強する役割を決定する.
主な方法:
- FeSnNC,FeCoNC,FeNC,およびSnNC触媒の合成と特徴づけ
- 金属-窒素-炭素 (M-Nx) 場所の密度を決定する.
- 構造分析のための電子顕微鏡とX線吸収スペクトロスコーピー.
- Fe Mössbauerスペクトロスコーピーは,鉄の場所の局所環境を調査する.
主要な成果:
- 双金属FeSnNCとFeCoNCの触媒は,FeNCの触媒よりも50~100%高い質量活性を示した.
- COの化学吸収は,二金属触媒のM-Nxサイト密度が低いことを示し,ターンオーバー頻度が増加したことを示した.
- スペクトロスコーピーの方法では,Fe-NxとSn-NxまたはCo-Nxの共存が確認され,双核Fe-M-Nxの証拠はありません.
- Fe Mössbauerスペクトロスコーピーは,二金属触媒におけるD1/D2比の増加を示し,D1 Fe-Nxサイトの割合が高いことを示した.
結論:
- FeNC触媒に二次金属 (Sn,Co) を加えることで,活性サイトの周回頻度を増やすことでORRの活性が向上します.
- 二次金属添加時にD1 Fe-Nxサイトが形成されることが,触媒性能の改善に起因する.
- この研究では,FeMNC触媒の活性部位構造を明らかにし,個々のM-Nx部位を区別し,二核部位を除外した.
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