摻氮碳空心微球制備及其電催化性質(zhì)

劉松琴，李婷婷

（東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京211189）

該文提出利用熱解聚鄰苯二胺制備多孔含氮共軛材料的新思路，合成的材料具有類似氮摻雜碳納米管（NCNT）的含氮有機(jī)共軛結(jié)構(gòu)及其物理、化學(xué)性質(zhì)。與NCNT相比，聚鄰苯二胺熱解材料具有制備溫度低、工藝簡單、制備過程中不使用金屬催化劑、產(chǎn)物無需純化、前驅(qū)體價格便宜、結(jié)構(gòu)多樣化等優(yōu)點(diǎn)。

聚鄰苯二胺空心小球采用水相法合成，通過對其熱解以及熱解溫度的控制，得到了含氮量不同的摻氮的碳空心小球(NCHSs)，并對其在堿性溶液中對氧氣還原反應(yīng)的催化進(jìn)行研究。運(yùn)用掃描電鏡和透射電鏡觀察了炭化前后小球的形貌，通過線性掃描伏安法和旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極伏安法測試了催化劑催化氧還原反應(yīng)的性能。結(jié)果表明炭化后小球形貌良好，直徑為400～700 nm。在堿性條件下，如圖1（A）,一定溫度下熱解得到的摻氮的碳空心小球催化氧氣的線性掃描電流（LSV）隨著氧氣濃度的增加顯著提高，說明其對氧氣還原反應(yīng)催化效果良好。同時，與裸電極以及碳納米管相比，850℃熱解的材料對氧氣還原反應(yīng)催化的峰電位校正（正移100 mV），峰電流較大,如圖1（B）。由公式n=4ID/(ID+IR/N)計算得到，NCHSs和碳納米管在電位-0.4 V處電子轉(zhuǎn)移數(shù)分別為3.82和2.04，表明NCHSs催化的氧還原過程為效率較高的四電子過程。同時，利用Tefel曲線在高超電勢下的公式

在電位區(qū)間-0.85 V～-0.95 V 以 E 對 jd作圖，由截距和斜率計算得到NCHSs和碳納米管的交換電流密度分別為 0.056 2 A/cm-2和 0.003 31 A/cm-2。這些結(jié)果表明，該方法制備得到的摻氮的碳空心球是一種很好的氧氣還原催化劑，在燃料電池領(lǐng)域中有著潛在的應(yīng)用價值。同時提供了一種由聚合物制備無金屬的氧氣還原催化劑的新方法。

Fig.1 (A)LSV for ORR at PoPD pyrolysed at 850℃/GCE recorded in an(a)O2(b)air and(c)N2saturated 0.1 mol/L KOH solution at room temperature at a scan rate of 10 mV/s.(B)LSV measurements were performed for(a)bare GCE,(b)MWCNT/GCE and(c)NCHSs/GC in 0.1 mol/L KOH at a scan rate of 10 mV/s