Fe—X—C（X=S、N）材料電催化氧還原反應的研究進展

白帆 楊秋蓉

摘要：由于Pt昂貴、稀少，碳材料作為氧還原催化劑受到廣泛關注。碳材料主要包括石墨烯、有機金屬骨架（MOF）、碳納米管等等。然而，碳材料直接用于氧還原反應的催化效果并不理想，適當的進行改性可以有效地提高其催化活性。本文主要綜述了近年來Fe-X-C（X=S、N）材料在電催化氧還原反應中的研究進展。

關鍵詞：Fe-X-C（X=S、N）結構；氧還原反應；催化劑

為了克服貴金屬催化劑的缺點，研究人員做了很多的嘗試來開發非貴金屬催化劑（NPMCs）。有大量報道表明，Fe-X-C（X=N、S）材料，作為NPMCs中的一種，在酸性和堿性電解質中顯示出非常高的氧還原（ORR）電催化活性和穩定性。其中某些催化劑的活性（如起始電勢、半波電勢等）甚至能與傳統的Pt/C催化劑相媲美并且顯示出更好的穩定性[1-3]。因此，現今許多關于碳材料催化氧還原反應的研究均集中于Fe-X-C（X=N、S）材料。

Fe-N-C材料

近年來，摻氮石墨烯復合材料作為燃料電池催化劑的研究受到廣泛關注。由于受到氮原子的影響，整個體系的自旋密度和電荷分布發生了改變，在石墨烯表面形成了“活性區域”，這種“活性區域”可以直接作為活性位參與催化反應，也可以摻雜金屬原子來參與催化反應，并表現出與石墨烯不同的性能[4]。2015年，李賞等以聚吡咯為配體，摻入石墨烯，合成了石墨烯負載Fe-N/C復合型材料[5]。實驗測定了不同熱解溫度下產物的XRD圖。結果表明，800℃是最佳溫度。接著，對比了熱處理前后的SEM照片和TEM照片。文章指出，金屬Fe基納米顆粒和無定形碳的相互作用可以促進碳的石墨化轉化。含氮石墨化結構的形成對催化劑活性點數量的增加有促進作用。而后測定了不同含量摻氮石墨烯所形成產物的伏安特性曲線。結果表明，當摻入量為25%時，催化劑具有最優氧還原活性。并且，其耐久性高于商業Pt/C催化劑。

非金屬N與金屬共摻雜的富勒烯（C60）具有較好的穩定性，因此，也受到了人們的廣泛關注。路戰勝等從理論上系統地研究了FeN4摻雜的C60上的ORR反應[6]。研究發現FeN4是ORR的活性中心。然而，反應路徑的勢壘過高，該材料并不能作為ORR催化劑。Liu等在2007年研究了FeN4碳納米管[7]。他們通過實驗合成出了高純度的FeN4碳納米管，并證明該材料具有高的ORR活性。實驗也同時指出，其氧還原活性來自于FeN4。

Fe-S-C材料

金屬有機骨架（MOF）由金屬中心和有機基團組成，是一種高度有序的框架結構。早期研究中有關MOF作為催化材料的研究極為少見。而近年來，卻急劇增加。MOF作為催化劑有以下優點：（1）具有大的比表面積；（2）通過改變金屬離子與有機物配體，可以靈活方便地調整其性質（如孔徑的擴張或壓縮），具有均一可控的孔徑尺寸使它對反應物和產物具有像分子篩的“擇形催化”特性；（3）MOF是多孔晶體材料，具有很高的空隙率，完全暴露的金屬離子利用率可以達到100%。這些都為催化發生創造了條件。2015年，有人運用理論計算研究了MOF中MC4S4納米片（M=Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt）的氧還原催化活性[8]。文章計算了限速步的?G值，結果表明IrC4S4具有最高的氧還原催化活性。同時，FeC4S4也具有一定的催化活性。在隨后的抗中毒性計算中，我們還可以發現甲醇、甲酸以及乙醇的存在并不會影響FeC4S4的催化效果。

結語

至今為止，碳材料在電催化領域已經得以廣泛發展。其中，Fe-X-C結構也得到了大量研究。在不同的碳材料中引入Fe-X會產生不同的影響，引入之后的材料并不一定都能用作ORR催化劑。2017年，孫世剛課題組合成出Fe/N/C非貴金屬催化劑，再引入S摻雜[9]。證明了S摻雜對氧還原催化活性的促進作用，該研究結合密度泛函理論計算分析了S摻雜促進Fe/N/C催化劑的氧還原活性的原因。研究結果對于理解非貴金屬催化劑的活性中心，進一步理性設計高性能的氧還原催化劑有積極作用。因此，對于碳材料以及Fe-X-C結構研究的探索仍然任重而道遠。

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