掺氮碳空心微球制备及其电催化性质

刘松琴，李婷婷

（东南大学化学化工学院，江苏南京211189）

该文提出利用热解聚邻苯二胺制备多孔含氮共轭材料的新思路，合成的材料具有类似氮掺杂碳纳米管（NCNT）的含氮有机共轭结构及其物理、化学性质。与NCNT相比，聚邻苯二胺热解材料具有制备温度低、工艺简单、制备过程中不使用金属催化剂、产物无需纯化、前驱体价格便宜、结构多样化等优点。

聚邻苯二胺空心小球采用水相法合成，通过对其热解以及热解温度的控制，得到了含氮量不同的掺氮的碳空心小球(NCHSs)，并对其在碱性溶液中对氧气还原反应的催化进行研究。运用扫描电镜和透射电镜观察了炭化前后小球的形貌，通过线性扫描伏安法和旋转环盘电极伏安法测试了催化剂催化氧还原反应的性能。结果表明炭化后小球形貌良好，直径为400～700 nm。在碱性条件下，如图1（A）,一定温度下热解得到的掺氮的碳空心小球催化氧气的线性扫描电流（LSV）随着氧气浓度的增加显著提高，说明其对氧气还原反应催化效果良好。同时，与裸电极以及碳纳米管相比，850℃热解的材料对氧气还原反应催化的峰电位校正（正移100 mV），峰电流较大,如图1（B）。由公式n=4ID/(ID+IR/N)计算得到，NCHSs和碳纳米管在电位-0.4 V处电子转移数分别为3.82和2.04，表明NCHSs催化的氧还原过程为效率较高的四电子过程。同时，利用Tefel曲线在高超电势下的公式

在电位区间-0.85 V～-0.95 V 以 E 对 jd作图，由截距和斜率计算得到NCHSs和碳纳米管的交换电流密度分别为 0.056 2 A/cm-2和 0.003 31 A/cm-2。这些结果表明，该方法制备得到的掺氮的碳空心球是一种很好的氧气还原催化剂，在燃料电池领域中有着潜在的应用价值。同时提供了一种由聚合物制备无金属的氧气还原催化剂的新方法。

Fig.1 (A)LSV for ORR at PoPD pyrolysed at 850℃/GCE recorded in an(a)O2(b)air and(c)N2saturated 0.1 mol/L KOH solution at room temperature at a scan rate of 10 mV/s.(B)LSV measurements were performed for(a)bare GCE,(b)MWCNT/GCE and(c)NCHSs/GC in 0.1 mol/L KOH at a scan rate of 10 mV/s