金属、氮共掺杂碳材料类催化剂(Metal-N-C,Metal=Fe、Mn、Co等)具有良好的氧还原(ORR)催化性能,成为近年应用于燃料电池正极的非铂类催化剂的研究热点.普遍上,Fe-N-C类催化剂具有最高的ORR催化性能,但其促进的Fenton反应(Fe2++H2O2,ORR双电子过程的副产物)会导致PEMFC结构损坏.因此,使用酞菁锰(MnPc)为前驱体,通过有机金属气相沉积工艺,合成了一种以单层石墨烯为基体的Mn-N-C类催化剂(Mn-N-C/G-30).通过热重分析可知,MnPc分子在480℃下脱H形成悬空键而产生的分子间键合作用使其生长为Mn-N-C/G-30催化剂.通过SEM、TEM、XRD的形貌表征,表明合成Mn-N-C/G-30催化剂结构与前驱体酞菁锰完全不同,是一种新型叶片状纳米材料,且具单晶结构,其晶格间距为0.315 nm.通过Raman和XPS的结构表征,证明合成Mn-N-C/G-30催化剂结构中形成了不同于MnPc中Mn-N4配位结构的Mn-N活性位点.采用了三电极体系进行电化学测试.线性伏安扫描测试结果表明,合成Mn-N-C/G-30催化剂在25℃、0.1 mol/L的KOH水溶液中的ORR起始电位和在电位0.88 V条件下的电流密度分别为0.97 V和1.4 mA/cm2,优于MnPc(0.85 V和0.1 mA/cm2)和商业化Pt/C催化剂(0.94 V和1.3 mA/cm2)的性能(以上电位均相对于氢标电位).K-L图的计算结果表明,合成Mn-N-C/G-30催化剂上的ORR过程为高效的四电子转移步骤.
氧还原催化剂 锰、氮共掺杂 有机金属气相沉积 酞菁锰