Fe-N/C-TsOH催化剂应用碱性介质催化氧还原的电催化活性

徐莉 潘国顺 梁晓璐 罗桂海 邹春莉 罗海梅

引用本文: 徐莉, 潘国顺, 梁晓璐, 罗桂海, 邹春莉, 罗海梅. Fe-N/C-TsOH催化剂应用碱性介质催化氧还原的电催化活性[J]. 物理化学学报, 2014, 30(2): 318-324. doi: 10.3866/PKU.WHXB201312121 shu
Citation:  XU Li, PAN Guo-Shun, LIANG Xiao-Lu, LUO Gui-Hai, ZOU Chun-Li, LUO Hai-Mei. Electrocatalytic Activity of Fe-N/C-TsOH Catalyst for the Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Media[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(2): 318-324. doi: 10.3866/PKU.WHXB201312121 shu

Fe-N/C-TsOH催化剂应用碱性介质催化氧还原的电催化活性

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(91223202),国家国际科技合作专项项目(2011DFA73410),清华大学自主科研计划(20101081907) (91223202),国家国际科技合作专项项目(2011DFA73410),清华大学自主科研计划(20101081907)

    国家重点基础研究发展规划项目(973) (2011CB013102)资助 (973) (2011CB013102)

摘要:

通过溶剂分散热处理方法制备了一种吡咯和对甲苯磺酸(TsOH)共同修饰的碳载非贵金属复合催化剂(Fe-N/C-TsOH),并采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂的形貌和组成成分进行表征. 借助循环伏安法(CV)和旋转圆盘技术研究了TsOH对催化剂在0.1 mol·L-1 KOH介质中催化氧还原性能的影响. 结果表明:TsOH的存在对催化剂催化氧还原反应(ORR)的活性影响很大. 以其制备的气体扩散电极在碱性电解质溶液中催化氧还原过程时转移的电子数为3.899,远比不含TsOH修饰的催化剂催化氧还原的电子数(3.098)高. 此外,研究发现600 ℃热处理过的Fe-N/C-TsOH催化剂表现出最佳的氧还原催化性能. 相比未经热处理过的Fe-N/C-TsOH催化剂,起峰电位和-1.5 mA·cm-2电流密度对应的电压分别向正方向移动30 和170 mV. XPS研究结果表明吡咯氮是催化剂主要活性中心,提供氧还原活性位,而TsOH加入形成的C―Sn―C和―SOn―有利于催化剂催化氧还原活性的提高,从而使该催化剂对氧还原表现出很好的电催化性能和选择性.

English

    1. [1]

      (1) Qiao, J. L.; Xu, L.; Ding, L.; Shi, P. H.; Zhang, L.; Baker, R.;Zhang, J. J. Int. J. Electrochem. Sci. 2013, 8, 1189.

      (1) Qiao, J. L.; Xu, L.; Ding, L.; Shi, P. H.; Zhang, L.; Baker, R.;Zhang, J. J. Int. J. Electrochem. Sci. 2013, 8, 1189.

    2. [2]

      (2) Kromera, M. A.; Joseck, F.; Rhodes, T.; Guernsey, M.;Marcinkoski, J. Int. J. Hydrog. Energy 2009, 34, 8276. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.06.052(2) Kromera, M. A.; Joseck, F.; Rhodes, T.; Guernsey, M.;Marcinkoski, J. Int. J. Hydrog. Energy 2009, 34, 8276. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.06.052

    3. [3]

      (3) Bashyam, R.; Zelenary, P. Nature 2006, 443, 63. doi: 10.1038/nature05118(3) Bashyam, R.; Zelenary, P. Nature 2006, 443, 63. doi: 10.1038/nature05118

    4. [4]

      (4) Lee, K.; Zhang, L.; Lui, H.; Hui, R.; Shi, Z.; Zhang, J.Electrochim. Acta 2009, 54, 4704. doi: 10.1016/j.electacta.2009.03.081(4) Lee, K.; Zhang, L.; Lui, H.; Hui, R.; Shi, Z.; Zhang, J.Electrochim. Acta 2009, 54, 4704. doi: 10.1016/j.electacta.2009.03.081

    5. [5]

      (5) Baker, R.;Wilkinson, D. P.;Wilkinson, J. Electrochim. Acta2008, 53, 6906. doi: 10.1016/j.electacta.2008.01.055(5) Baker, R.;Wilkinson, D. P.;Wilkinson, J. Electrochim. Acta2008, 53, 6906. doi: 10.1016/j.electacta.2008.01.055

    6. [6]

      (6) Xu, Z.; Li, H.; Cao, G.; Zhang, Q.; Li, K.; Zhao, Z. J. Mol. Catal. A: Chem. 2011, 335, 89. doi: 10.1016/j.molcata.2010.11.018(6) Xu, Z.; Li, H.; Cao, G.; Zhang, Q.; Li, K.; Zhao, Z. J. Mol. Catal. A: Chem. 2011, 335, 89. doi: 10.1016/j.molcata.2010.11.018

    7. [7]

      (7) Ding, L.; Qiao, J. L.; Feng, X.; Zhang, J.; Tian, B. Int. J. Hydrog. Energy 2012, 37, 14103. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.07.046(7) Ding, L.; Qiao, J. L.; Feng, X.; Zhang, J.; Tian, B. Int. J. Hydrog. Energy 2012, 37, 14103. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.07.046

    8. [8]

      (8) Li, X.; Liu, G.; Popov, B. N. J. Power Sources 2010, 195,6373. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.04.019(8) Li, X.; Liu, G.; Popov, B. N. J. Power Sources 2010, 195,6373. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.04.019

    9. [9]

      (9) Qiao, J.; Xu, L.; Xu, P.; Shi, J.;Wang, H. Electrochim. Acta2013, 96, 298. doi: 10.1016/j.electacta.2013.02.030(9) Qiao, J.; Xu, L.; Xu, P.; Shi, J.;Wang, H. Electrochim. Acta2013, 96, 298. doi: 10.1016/j.electacta.2013.02.030

    10. [10]

      (10) Jaouen, F.; ellne, V.; Lefèvre, M.; Herranz, J. Proietti, E.;Dodelet, J. P. Electrochim. Acta 2013, 87, 619. doi: 10.1016/j.electacta.2012.09.057(10) Jaouen, F.; ellne, V.; Lefèvre, M.; Herranz, J. Proietti, E.;Dodelet, J. P. Electrochim. Acta 2013, 87, 619. doi: 10.1016/j.electacta.2012.09.057

    11. [11]

      (11) Charreteur, F.; Ruggeri, S.; Jaouen, F.; Dodelet, J. P. Electrochim. Acta 2008, 53, 6881. doi: 10.1016/j.electacta.2007.12.051(11) Charreteur, F.; Ruggeri, S.; Jaouen, F.; Dodelet, J. P. Electrochim. Acta 2008, 53, 6881. doi: 10.1016/j.electacta.2007.12.051

    12. [12]

      (12) Yuasa, M.; Yamaguchi, A.; Itsuki, H.; Tanaka, K.; Yamamoto,M.; Oyaizu, K. Chem. Mater. 2005, 17, 4278. doi: 10.1021/cm050958z(12) Yuasa, M.; Yamaguchi, A.; Itsuki, H.; Tanaka, K.; Yamamoto,M.; Oyaizu, K. Chem. Mater. 2005, 17, 4278. doi: 10.1021/cm050958z

    13. [13]

      (13) Hinds, G. Preparation and Characterisation of PEM Fuel CellElectrocatalysts: a Review. In NPL Report DEPC-MPE 019;National Physical Laboratory: Teddington, Middlesex, UnitedKingdom, 2005; p 10.(13) Hinds, G. Preparation and Characterisation of PEM Fuel CellElectrocatalysts: a Review. In NPL Report DEPC-MPE 019;National Physical Laboratory: Teddington, Middlesex, UnitedKingdom, 2005; p 10.

    14. [14]

      (14) Qiao, J.; Xu, L.; Ding, L.; Zhang, L.; Baker, L.; Dai, X.; Zhang,J. Appl. Catal. B: Environ. 2012, 125, 197. doi: 10.1016/j.apcatb.2012.05.050(14) Qiao, J.; Xu, L.; Ding, L.; Zhang, L.; Baker, L.; Dai, X.; Zhang,J. Appl. Catal. B: Environ. 2012, 125, 197. doi: 10.1016/j.apcatb.2012.05.050

    15. [15]

      (15) Yang, Y.; Jiang, S.; Zhao, Y.; Zhu, L.; Chen, S.;Wang, X.;Wu,Q.; Ma, J.; Ma, Y.; Hu, Z. Angew. Chem. Int. Edit. 2011, 50,7132. doi: 10.1002/anie.v50.31(15) Yang, Y.; Jiang, S.; Zhao, Y.; Zhu, L.; Chen, S.;Wang, X.;Wu,Q.; Ma, J.; Ma, Y.; Hu, Z. Angew. Chem. Int. Edit. 2011, 50,7132. doi: 10.1002/anie.v50.31

    16. [16]

      (16) Kramm, U. I.; Herrmann, I.; Fiechter, S.; Zehl, G.; Zizak, I.;Abs-Wurmbach, I.; Radnik, J.; Dorbandt, I.; Bogdanoff, P. ECS Trans. 2009, 25, 659.(16) Kramm, U. I.; Herrmann, I.; Fiechter, S.; Zehl, G.; Zizak, I.;Abs-Wurmbach, I.; Radnik, J.; Dorbandt, I.; Bogdanoff, P. ECS Trans. 2009, 25, 659.

    17. [17]

      (17) Cheng, H.; Yan,W.; Scott, K. Fuel Cells 2007, 7, 16.(17) Cheng, H.; Yan,W.; Scott, K. Fuel Cells 2007, 7, 16.

    18. [18]

      (18) Paulus, A. U.; Schmidt, H. A.; Gasteiger, R. J.; Behm, R. J.Electroanal. Chem. 2001, 495, 134. doi: 10.1016/S0022-0728(00)00407-1(18) Paulus, A. U.; Schmidt, H. A.; Gasteiger, R. J.; Behm, R. J.Electroanal. Chem. 2001, 495, 134. doi: 10.1016/S0022-0728(00)00407-1

    19. [19]

      (19) Bezerra, C.W. B.; Zhang, L.; Lee, K.; Liu, H.; Zhang, J.; Shi,Z.; Marques, A. L. B.; Marques, E. P.;Wu, S.; Zhang, J.Electrochim. Acta 2008, 53, 7703. doi: 10.1016/j.electacta.2008.05.030(19) Bezerra, C.W. B.; Zhang, L.; Lee, K.; Liu, H.; Zhang, J.; Shi,Z.; Marques, A. L. B.; Marques, E. P.;Wu, S.; Zhang, J.Electrochim. Acta 2008, 53, 7703. doi: 10.1016/j.electacta.2008.05.030

    20. [20]

      (20) Jaouen, F.; Dodelet. J. P. Electrochim. Acta 2007, 52, 5975. doi: 10.1016/j.electacta.2007.03.045(20) Jaouen, F.; Dodelet. J. P. Electrochim. Acta 2007, 52, 5975. doi: 10.1016/j.electacta.2007.03.045

    21. [21]

      (21) Subramanian, N. P.; Li, X.; Nallathambi, V.; Kumaraguru, S. P.;Colon-Mercado, H.;Wu, G.; Lee, J.W.; Popov, B. N. J. Power Sources 2009, 188, 38. doi: 10.1016/j.jpowsour.2008.11.087(21) Subramanian, N. P.; Li, X.; Nallathambi, V.; Kumaraguru, S. P.;Colon-Mercado, H.;Wu, G.; Lee, J.W.; Popov, B. N. J. Power Sources 2009, 188, 38. doi: 10.1016/j.jpowsour.2008.11.087

    22. [22]

      (22) Wang, H.; Maiyalagan, T.;Wang, X. ACS Catal. 2012, 2, 781.doi: 10.1021/cs200652y(22) Wang, H.; Maiyalagan, T.;Wang, X. ACS Catal. 2012, 2, 781.doi: 10.1021/cs200652y

    23. [23]

      (23) Wu, G.; Chen, Z.; Artyushkova, K.; Garzon, F. H.; Zelenay, P.ECS Trans. 2008, 16, 159.(23) Wu, G.; Chen, Z.; Artyushkova, K.; Garzon, F. H.; Zelenay, P.ECS Trans. 2008, 16, 159.

    24. [24]

      (24) Kundu, S.; Nagaiah, T. C.; Xia,W.;Wang, Y.; Dommele, S. V.;Bitter, J. H.; Santa, M.; Grundmeier, G.; Bron, M.; Schuhmann,W.; Muhler, M. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 14302. doi: 10.1021/jp811320d(24) Kundu, S.; Nagaiah, T. C.; Xia,W.;Wang, Y.; Dommele, S. V.;Bitter, J. H.; Santa, M.; Grundmeier, G.; Bron, M.; Schuhmann,W.; Muhler, M. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 14302. doi: 10.1021/jp811320d

    25. [25]

      (25) Wu, G.; Artyushkova, K.; Ferrandon, M.; Kropf, J.; Myers, D.;Zelenay, P. ECS Trans. 2009, 25, 1299.(25) Wu, G.; Artyushkova, K.; Ferrandon, M.; Kropf, J.; Myers, D.;Zelenay, P. ECS Trans. 2009, 25, 1299.

    26. [26]

      (26) Bubnova, O.; Khan, Z. U.; Malti, A.; Braun, S.; Fahlman, M.;Berggren, M.; Crispin, X. Nat. Mater. 2011, 10, 429. doi: 10.1038/nmat3012(26) Bubnova, O.; Khan, Z. U.; Malti, A.; Braun, S.; Fahlman, M.;Berggren, M.; Crispin, X. Nat. Mater. 2011, 10, 429. doi: 10.1038/nmat3012

    27. [27]

      (27) Paraknowitsch, J. P.;Wienert, B.; Zhang, Y.; Thomas, A. Chem. Eur. J. 2012, 18, 15416. doi: 10.1002/chem.v18.48(27) Paraknowitsch, J. P.;Wienert, B.; Zhang, Y.; Thomas, A. Chem. Eur. J. 2012, 18, 15416. doi: 10.1002/chem.v18.48

    28. [28]

      (28) Wang, H.; Bo, X.; Zhang, Y.; Guo, L. Electrochim. Acta 2013,108, 404. doi: 10.1016/j.electacta.2013.06.133(28) Wang, H.; Bo, X.; Zhang, Y.; Guo, L. Electrochim. Acta 2013,108, 404. doi: 10.1016/j.electacta.2013.06.133

    29. [29]

      (29) Herrmann, I.; Kramm, U. I.; Radnik, J.; Fiechter, S.; Bogdanoff,P. J. Electrochem. Soc. 2009, 156, 1283. doi: 10.1149/1.3185852(29) Herrmann, I.; Kramm, U. I.; Radnik, J.; Fiechter, S.; Bogdanoff,P. J. Electrochem. Soc. 2009, 156, 1283. doi: 10.1149/1.3185852

    30. [30]

      (30) Grabke, H. J.; Moszynski, D.; Muller-Lorenz, E. M.; Schneider,A. Surf. Interface Anal. 2002, 34, 369.

      (30) Grabke, H. J.; Moszynski, D.; Muller-Lorenz, E. M.; Schneider,A. Surf. Interface Anal. 2002, 34, 369.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  610
  • 文章访问数:  938
  • HTML全文浏览量:  21
文章相关
  • 发布日期:  2014-01-23
  • 收稿日期:  2013-10-14
  • 网络出版日期:  2013-12-12
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章