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摘要：文章以农林废弃物生物质为原料，运用热压法对前驱物的结构进行辅助优化，成功制得氮掺杂碳材料PNC。该方法强化了生物质原料与添加剂的结合，优化了催化剂结构，提高了热解效率。电化学测试结果表明，PNC催化氧还原反应（ORR）的初始电位和极限电流密度与商业Pt/C相当，而稳定性和抗甲醇毒化性能优于Pt/C。该研究为生物质基电催化剂前驱物的制备提供了一条新途径。
关键词：生物质；热压；氧还原反应；电催化剂
氧还原反应（ORR）是发生在氢氧燃料电池阴极的电化学反应，其在较低工作温度下的缓慢动力学限制了燃料电池的性能[1-3]。为提高燃料电池的性能，需在燃料电池中使用高效电催化剂和高比表面积、高孔隙率的电极，以改善ORR的动力学[4]。考虑到ORR催化剂低成本和资源可持续利用的特性，利用废弃生物质尤其是农林废弃物制造氮掺杂碳质材料作为非金属ORR电催化剂已成为该领域的研究焦点[5]。
基于生物质的自然特性，生物质基电催化剂的生产通常可分为前驱物制备和温热解两个阶段。目前众多前驱物制备方法都存在添加剂与生物质结合不紧密的问题，导致大部分添加剂在热解过程中易受高温和气体流动影响，从生物质中分离并流失，进而影响热解效果。由此可见，加强添加剂与生物质之间的相互作用是提高产品性能的关键。
为解决这个问题，文章尝试将热压技术引入前驱物制备过程中。热压处理可将生物质和添加剂固定在有限空间内，并使它们在高温高压条件下紧密结合，从而抑制不同组分的分离，大大提高了其在高温热解过程中的利用率，优化了催化剂性能。研究结果表明，经过热压处理确实得到了更大的表面积和纳米孔体积以及更高的氮含量，提高了电催化的ORR性能。这项研究为制备生物质基电催化剂的前驱物提供了一条新的途径。
1实验步骤
1.1样品制备
1.1.1前驱体制备
将新鲜菠萝皮洗净烘干后放入研钵中研碎，再放入聚四氟乙烯水热反应釜中180℃水热18 h，过滤干燥后得到菠萝皮生物炭。将1 g菠萝皮生物炭、4 g三聚氰胺和3 g碳酸钾均匀混合分散后转移到热压机中进行热压，得到前驱体。
1.1.2催化剂制备
前驱体在N2环境下升高至900℃保持2 h，冷却至室温后将黑色固体取出，用1 M HCl洗去杂质，抽滤烘干得到样品并将其命名为PNC。
1.2电化学测试
1.2.1催化剂墨水制备
将2 mg催化剂粉末超声分散到含有10μL 5%的Nafion、70μL异丙醇和170μL去离子水的混合液中，得到催化剂墨水。随后取10μL催化剂墨水滴在玻碳电极上，在室温下完全晾干后进行测试。商业Pt/C的制作步骤与上述操作一致。
1.2.2电化学测试
催化剂的氧还原催化活性测试由荷兰Ivium公司的一体化旋转圆盘电极装置连接CHI 760E型电化学工作站完成，测试使用常规的三电极测试体系。
2结果和讨论
2.1物理结构分析
图1展示了PNC在N2环境下的等温吸脱附曲线及根据DFT模型拟合得到的孔径分布曲线。在较低的相对压力范围（P/P0<0.01）内，氮气的吸附量显著增加，同时在相对压力介于0.4~0.9时观察到了回滞现象，揭示了PNC具备丰富的微孔与介孔的结构特征。根据吸脱附曲线得到的PNC的比表面积和孔容数据列微孔结构能够为NPC提供高比表面积（1 068.45 m2/g），更利于活性位点附着；而介孔结构可以进一步增加NPC的孔容（0.78 cm3/g），有助于提升燃料电池内部的物质传递效率。
图2是PNC的XRD和Raman图谱。PNC在25。和44。位置上呈现出了两个清晰的衍射峰，分别对应于石墨的（002）和（100）晶面，表明其石墨化程度较高。高石墨化程度意味着有利于提升催化剂的电导率，减小电荷传输障碍。此外，衍射峰底部较宽且强度相对较低，表明PNC内含有无定形碳及无序结构。PNC的拉曼光谱在1 340 cm-1和1 587 cm-1处呈现出了两个显著的峰，分别对应代表无序与缺陷的D带和代表石墨结构的G带。D带与G带的强度比（ID/IG）约为1.07，是衡量碳材料无序度和缺陷水平的一个重要指标，表明PNC具有丰富的无序和缺陷结构，能够创造出更多活性位点，从而增强催化剂的电催化效能。
2.2 ORR性能
如图3a所示，在O2饱和的0.1 M KOH溶液中，PNC和Pt/C的CV曲线均呈现出了阴极还原峰，分别位于0.83 V和0.84V（vs.RHE）。相比之下，在N2饱和的相同质量浓度的KOH溶液中，在其CV曲线未观察到任何峰，证明PNC和Pt/C均具备氧还原催化活性。PNC的氧还原峰仅比Pt/C低0.01 V，说明其具备优秀的催化活性。图3（b）是PNC和20%Pt/C催化剂在O2饱和的0.1 M KOH溶液中以1 600 r/min的转速旋转测试得到的LSV曲线。PNC的极限电流密度（6.05 mA/cm2）高于Pt/C（5.74 mA/cm2），说明在相同条件下，PNC可以提供更高的电流密度，能够在工作中增加燃料电池的功率密度。
3结论
利用热压法辅助生物质原料与添加剂的混合过程，本研究成功制备出了一种具有高比表面积和高氮原子含量的生物质基氮掺杂碳催化剂材料PNC。电化学测试结果证明，PNC的初始电位与商业Pt/C相当，而极限电流密度高于Pt/C，并符合高效的4e-转移路径。进一步测试发现，PNC具有良好的稳定性和抗甲醇毒化性能。本研究提供了一种合成生物制基ORR电催化剂的方法，为生物质原料与添加剂的混合过程提供了一种新思路。
参考文献
［1］SAZALI N,NORHARYATI W,JAMALUDIN A,et al.New perspectives on fuel cell technology:a brief review［J］.Membranes,2020,10:99.
［2］ESCRIBANO M E,MALACRIDA P,VEJ-HANSEN U G,et al.Engineering the activity and stability of Pt-alloy cathode fuel-cell electrocatalysts by tuning the Pt-Pt dis-tance［J］.ECS Meeting Abstracts,2014.
［3］KAUR P,VERMA G,SEKHON S.Biomass derived hier-archical porous carbon materials as oxygen reduction re-action electrocatalysts in fuel cells［J］.Progress in Materi-als Science,2019,10:21-71.
［4］LANG P,YUAN N N,JIANG Q Q,et al.Recent advances and prospects of metal-based catalysts for oxygen reduc-tion reaction［J］.Energy Technology,2020,8(3):1-18.
［5］ZHANG Y,T CHAO S J,WANG X B,et al.Hierarchical Co9S8 hollow microspheres as multifunctional electrocatalysts for oxygen reduction,oxygen evolution and hydrogen evolution reactions［J］.Electrochimica Acta,2017,246:380-390.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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农林废弃物基氮掺杂碳材料制备及电催化性能研究论文
人参与 2025-04-25 10:13:19 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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