电纺法制备碳纳米纤维的氮掺杂控制及其氧还原催化活性研究

氧还原催化剂是燃料电池的关键材料之一。氮掺杂的碳纳米材料显示出极高的催化氧还原活性，是目前最有希望替代铂的催化剂。研究新型氮掺杂碳纳米材料、发展控制氮掺杂的可靠方法及确定不同掺杂类型的氮物种的活性强弱对于开发性能更优异的氧还原催化剂具有重要意义。本项目拟采用静电纺丝技术制备不含任何金属杂质的氮掺杂碳纳米纤维，通过恰当地选择含氮原料（聚合物或小分子）及热处理工艺，有效地控制碳纳米纤维中的氮掺杂情况，关键是氮掺杂类型（吡啶氮、吡咯氮、石墨氮和吡啶氮氧氮），以期得到氮掺杂类型单一的样品。进而考察氮掺杂碳纳米纤维在碱性介质中催化氧还原反应的活性，确定氮掺杂类型与催化活性之间的定性或定量关系，从而确定在氧还原反应过程中起关键催化作用的氮掺杂物种，即活性位。由此再优化制备工艺参数，提高活性较高的氮掺杂物种在碳纳米纤维表面上的含量，以期获得具有十分优异的催化氧还原活性的氮掺杂碳纳米纤维电催化剂。

氧还原催化剂是燃料电池的关键材料之一。氮掺杂的碳纳米材料显示出极高的催化氧还原活性，是目前最有希望替代铂的催化剂。本项目采用静电纺丝技术制备了氮掺杂碳纳米纤维（NCNFs）和碳管，研究了相关制备工艺参数，特别是处理气氛（NH3或N2）条件等对氮掺杂情况，特别是氮掺杂类型的影响及其规律；NH3刻蚀的碳纳米纤维直径显著缩减，最细可达20nm以下，表现出很高的催化性能。研究发现，先浓酸氧化处理再NH3处理，所得NCNFs在碱性和酸性介质中，均表现出良好的催化活性。通过碳化双组分聚合物基电纺纳米纤维制备含微孔结构的NCNFs，在酸性和碱性介质中的催化活性进一步提高。进而研究了氮掺杂类型与催化活性之间的关系，确定在氧还原反应过程中起关键催化作用的氮掺杂物种。为了进一步提高氮掺杂碳纳米纤维在酸性介质条件下的催化性能，采用贱金属元素Fe对其进行改性，在纤维内部出现了大量不规则的弯曲状石墨碳层结构，且部分呈独特的中空闭合的洋葱状石墨壳层结构，这些弯曲的不规则的石墨碳结构上比平面石墨碳结构表面拥有更多的电子云，有利于得电子过程的氧还原反应的进行，从而获得了十分优异的催化氧还原活性。