华东师范大学葛建平、汤静：将碳纳米管与氮掺杂片状多孔碳结合并研究其电催化氧还原性
提升阴极氧还原反应性能是提高燃料电池使用效率的关键。目前使用的贵金属铂成本高、自然储备量低，使燃料电池的推广应用受到阻碍。而碳基材料具有结构成分可调、成本低廉等优点，以此为基础研究开发高效的碳基催化剂材料来替代贵金属显得十分重要。
研究方法
本论文以具有叶片形貌的Zn-ZIF-L为前驱体，利用双溶剂法制备出Fe掺杂的Fe-ZIF-L，再经过两步高温热解获得了碳纳米管包覆的氮掺杂多孔碳材料。该系列材料具有丰富的孔隙结构、丰富的铁基活性位点（碳化铁）以及碳纳米管，使得材料表现出优异的电催化氧还原性能。
成果简介
制备出的催化剂材料Fe7%-L-CNT-900具有最大的比表面积、丰富的微介孔结构、较高的石墨化程度、适中的杂原子掺杂，表现出最佳的电催化氧还原性能，起始电位和半波电位分别可达1.040 V和0.88 V，优于相同测试条件下的Pt/C材料。该研究结果为设计具有纳米复合结构的非贵金属催化剂提供了一种新思路。
图文导读
图1. Fe7%-L-CNT-900的合成示意图。
以Zn-ZIF-L为前驱体，利用双溶剂法（乙醇和正己烷的混合溶剂体系）引入Fe，第一次高温煅烧后可得到Fe7%-N/C，再结合双氰胺进行二次煅烧处理后可制备出目标催化剂。
图2. (a) Fe7%-ZIF-L的SEM图。Fe7%-L-CNT-900的 (b) SEM图，(c-d) TEM图。
结合SEM、TEM等表征结果可以看到，经过高温煅烧处理后的碳材料Fe7%-L-CNT-900保留了较为完整的叶片形貌。同时材料表面具有大量碳纳米管和Fe3C纳米颗粒，从而提升了材料的导电性以及电催化性能。
图3. 催化剂材料的电化学性能。(a) CV曲线；(b) LSV曲线；(c) Fe7%-L-CNT-900在不同转速条件下的LSV曲线；(d) Tafel斜率图。
系列测试结果表明，制备出的一系列催化剂材料具有电催化氧还原性能，其中Fe7%-L-CNT-900的表现最佳；在碱性电解液中起始电位和半波电位分别可达1.040 V和0.88 V。
通讯作者简介
葛建平，华东师范大学化学与分子工程学院教授。课题组主要围绕“胶体光子晶体功能材料”这一主题，从“胶体结构基元制备”、“胶体组装方法”、“胶体晶功能材料应用”等三个层面开展研究工作，并在能源环境等催化领域展开部分研究。具体见课题组网页（http://jpge.ecnu.edu.cn/people.html）。
汤静，华东师范大学化学与分子工程学院研究员，博士生导师。研究集中在多孔纳米材料设计合成，及其在绿色能源、环境、催化等领域的应用，2020-2021年度科瑞唯安全球高被引科学家。具体见课题组主页（https://faculty.ecnu.edu.cn/_s34/tj2_21615/main.psp）。
文章信息：
F. Tang, W. Xia, H. Zhang, et al. Synthesis of Fe-doped carbon hybrid composed of CNT/flake-like carbon for catalyzing oxygen reduction. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4223-8.
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本文来源： NanoResearch
