在酸性介质中减少氧气的单原子铁催化剂:颗粒大小控制和热激活
Hanguang Zhang1, Sooyeon Hwang2, Maoyu Wang3
1Department of Chemical and Biological Engineering, University at Buffalo, The State University of New York , Buffalo, New York 14260, United States.
Journal of the American Chemical Society
|September 14, 2017
概括
我们开发了一种新型的,地球上丰富的原子铁 (Fe) 催化剂,用于酸性介质中的氧降解反应 (ORR),为燃料电池提供一个有前途的替代品.
科学领域:
- 材料科学
- 电化学
- 催化剂
背景情况:
- 替换白金组金属 (PGM) 催化剂以土壤丰富的材料对于广泛采用质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 来说至关重要.
- 在酸性介质中氧降解反应 (ORR) 是PEMFC性能和耐久性的关键挑战.
研究的目的:
- 在酸性介质中开发高性能,无PGM的原子铁 (Fe) 催化剂.
- 阐明来自石化模酸框架 (ZIFs) 的Fe催化剂的形成机制和活性位结构.
主要方法:
- 合成化学Fe-dopedZIF,然后进行一阶段的热激活,以创建嵌入在多孔碳中的原子Fe位点.
- 通过控制ZIF前体纳米晶体大小来调整催化剂颗粒大小 (20-1000 nm).
- 在高达1100°C的热激活过程中,ORR活动与化学键变化的相关性.
主要成果:
- 实现了具有可调节颗粒大小的高性能原子Fe催化剂,在50nm显示最佳ORR活性.
- 确定了与FeN4物种相关的800°C活性位点的临界形成温度 (Fe2+与pyridinic N结合).
- 最好的催化剂在0.5M H2SO4中表现出0.85V的半波电位,与Pt/C相比只有30mV的差距,并显示出更高的稳定性.
结论:
- 开发的原子Fe催化剂来源于Fe-doped ZIFs,作为一种在酸性介质中无PGM的ORR替代品,具有很大的前景.
- 精确控制催化剂大小和活性部位结构对于优化ORR性能至关重要.
- 这项工作为未来的PEMFC应用设计了高效和稳定的无PGM催化剂.
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