铁-氮掺杂多孔碳材料的制备与电化学性能的研究

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掺杂的多孔碳材料由于具有优异的化学稳定性,良好的导电性、丰富的孔结构、高比表面积以及氮掺杂修饰改性等特点,在燃料电池的氧还原催化剂和超级电容器电极材料的应用中备受青睐。寻求低成本的原材料、工艺操作简单的制备方法来合成电化学性能优异的多孔碳电极材料一直是该领域所追求的目标。生物质材料由于低成本,资源丰富,富含有多种元素且为可再生资源是制备掺杂碳材料的理想原料。本文采用富含碳和氮的可再生生物质鸡蛋清作为碳源和氮源,以Fe(NO33为铁源,经过900℃高温碳化制备了铁-氮掺杂的多孔碳材料(Fe-N-EWPC-900)。通过X射线电子能谱测试,Fe-N-EWPC-900中氮和铁的掺杂量分别为2.69 at%和0.63 at%,而且氮和铁在电子扫描透射电镜下的元素面分布中呈弥散均匀分布在碳结构中。作为氧还原催化剂,Fe-N-EWPC-900表现出0.97 V(vs.RHE)的起始电位,比20 wt%Pt/C的高出12 mV;同时也具有比20 wt%Pt/C催化剂更优异的稳定性和抗甲醇能力和接近于4的反应电子数。用作超级电容器电极材料,Fe-N-EWPC-900在1 A?g-1的电流密度下的到达了285.6 F?g-1质量比电容,经过2000圈50 mV?s-1的循环稳定性测试,其电容值保持率为95.2%。加入NaCl作为模板与Fe(NO33协同作用,在800℃碳化下形成铁-氮掺杂三维蜂窝状层次孔碳(Fe-N-HPC-800),其比表面积可达到855.4 m2?g-1。组装成对称电极的超级电容器进行电化学测试,Fe-N-HPC-800电极在电流密度为0.5 A?g-1时,比电容达到360 F?g-1,当电流密度增大到20 A?g-1时,其电容值为240.5 F?g-1,展现出了优异的倍率性。在经过扫速200 mV?s-1,5000圈的CV循环测试之后,电容保持率为88%左右,说明Fe-N-HPC-800拥有较好的电化学稳定性。对Fe-N-HPC-800进行氧还原性能测试,其起始电位为0.92 V(vs.RHE),半波电位为0.78 V(vs.RHE),氧还原反应接近四电子反应机制,接近Pt/C的催化氧还原性能,而且其稳定高于20 wt%Pt/C。
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