摘要
燃料电池（FCs）作为清洁绿色新型能量储存和转换装置，能够高效地将化学能转换为电能。作为FCs阴极反应，氧还原反应（ORR）缓慢的动力学需要高效催化剂降低反应能垒，加速反应进行。虽然Pt基催化剂在ORR中表现出极高的催化性能，但其较低的储量、高昂的价格以及并不优秀的稳定性问题对FCs的大规模发展造成了限制。因此，开发高效稳定且价格低廉的电催化剂是解决上述问题的关键。其中，碳基单原子催化剂（C-SACs）因高催化活性、高导电性以及高选择性被认为是最具潜力的催化剂之一。 高温热解法是制备C-SACs最为常用的方法之一，但是高温环境加速了金属原子的聚集，导致金属单原子无法稳定存在。另外部分杂原子有机前驱体在高温环境下易于热分解的特性降低了催化剂材料的收率，限制了C-SACs的大规模制备。熔融盐是一种在高温条件下以熔融状态存在的无机盐体系。高温盐熔体提供的液态强极性环境对抑制金属原子的聚集以及溶解有机前驱体，抑制热分解具有显著的效果。基于以上论述，本文使用熔融盐辅助热解法以制备具有优异ORR活性以及高选择性、高稳定性的C-SACs。 选用了6种有机小分子作为碳氮前驱体，采用KCl/ZnCl2共熔盐体系，通过一步热解合成了N、Fe共掺杂碳基催化剂Fe-NC-x，并与不添加熔融盐制备的材料Fe-NP-x进行对比，以此初步探究熔融盐辅助热解法在制备单原子催化剂方面的可行性。热重分析（TGA）表明熔融盐的引入能够抑制前驱体的热分解，其中6-氨基喹喔啉的剩余质量从0上升至60%。XRD测试结果说明KCl/ZnCl2体系能够分散Fe颗粒，这为金属的单原子分散提供了可能。对比实验表明，KCl/ZnCl2盐体系的加入为Fe-NC-x带来了较大的比表面积（最大样品为2092.9m2g-1）。将合成的Fe-NC-x催化剂应用于ORR的催化过程，均表现出良好的催化活性。 通过在KCl/ZnCl2体系中热解次黄嘌呤前驱体，我们制备了Fe单原子催化剂（FeSA-NC），ICP测试其Fe担载量为0.57wt%。通过AC-HAADF-STEM和XAFS分析验证了Fe单原子以O2-Fe-N4形式存在。FeSA-NC的比表面积达到2072.5m2g-1的半波电位达到0.85V，极限电流密度达到5.79mAcm-2，超过了20wt%负载Pt/C催化剂，表现出优异的电化学稳定性以及令人满意的抗甲醇中毒性能。一系列对比分析得出，FeSA-NC的增强的ORR活性不仅来源于Fe单原子的引入，也来自于具有大比表面积和多孔结构的碳载体，使得活性位点充分暴露，促进传质过程快速进行。
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