兰亚乾: 钴基氮掺杂多孔碳纤维的设计及其氧还原性能研究

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氧还原反应是金属空气电池和燃料电池等装置中能量存储和转化的重要阴极反应过程。目前，Pt基电催化剂被广泛认为是电化学电池反应中活性最高的氧还原反应电催化剂。然而，Pt基材料的地球储存稀少、成本高、稳定性差、甲醇交叉效应差和缓慢的反应动力学等缺点大大限制了其大规模的实际应用。因此，大量低成本、高效率的非贵金属催化剂被广泛研究。其中，金属-有机框架材料（MOFs）近年来被广泛用作制备功能纳米结构的多孔碳基电催化剂的前驱体，尤其是Zn, Co-双金属沸石咪唑骨架（BMZIFs）被广泛用于开发有效的钴基多孔氮掺杂碳催化剂的前驱体。然而，MOFs骨架在煅烧过程中通常容易塌陷和聚集导致催化剂中的孔结构减少，这将大大降低催化剂的电催化性能。因此，借助多种新型基底如层状双氢氧化物（LDHs）、石墨烯、碳布等以实现热解过程中有序堆叠和多孔结构的碳基材料的产生。但石墨烯的制备方法复杂且产率低，而LDHs虽具有化学活性但不能提高材料的导电性。因此，寻找合适的基底来有效避免MOF的高温团聚问题进而制备高效氧还原催化剂是目前的研究热点之一。

最近，南京师范大学兰亚乾教授课题组与东南大学王增梅课题组合作，以双金属有机框架（ZnxCo1-x-ZIF）为前驱体，聚丙烯腈(PAN)为原料，通过静电纺丝法和后期高温煅烧直接得到了氮掺杂多孔碳纤维包覆的钴纳米粒子复合材料（Co@N-PCFs）。MOF均匀地分布在聚合物纤维中，聚合物纤维的隔离可以有效避免在高温煅烧时金属纳米粒子的团聚，且聚合物纤维在高温煅烧后转变成多孔碳纤维，有效提高了电催化剂的活性和稳定性。此外，通过调整Zn/Co摩尔比（x值）和热解温度可以精确地控制所得热解产物的石墨化程度、Co-Nx活性位点的含量、氮掺杂碳含量和催化剂的孔隙率。因此，Co@N-PCF用作氧还原反应的电催化剂，表现出与铂基催化剂相近的催化性质，是目前已报道的氧还原性能最优异的非贵金属催化剂之一。相关工作近日发表在Small Methods 上 (Small Methods, 2018, DOI: 10.1002/smtd.201800049）。