具有多级导电网络钴酸镍的电催化氧还原性能

在花状脲醛树脂基碳材料上采用两步法合成了具有多级导电网络的氮掺杂碳负载Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4(NC/Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4),并探究了NC/Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4作为氧还原催化剂的催化性能及直接甲醇燃料电池的单电池性能。文中分别使用NC/Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4及Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4样品作为直接甲醇燃料电池阴极催化剂,PtRu/C作为阳极催化剂和聚合物纤维膜作为电解质膜,进行了单电池性能测试。在以Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4为阴极催化剂时,电池最大输出功率密度为1.9 m W/cm~2,而以NC/Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4作为阴极催化剂,其电池最大输出功率密度为7.4 m W/cm~2。并且在阻抗测试中,以NC/Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4和Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4样品作为阴极催化剂对应的DMFCs电池内阻分别为0.26Ω·cm~(-2)和0.79Ω·cm~(-2)。结果表明,具有多级导电网络结构的NC/Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4展现了更好的导电性和氧还原催化性能。其中,NC/Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4中的脲醛树脂基碳可以形成三维导电网络和作为催化剂负载骨架,而同时Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4纳米片表面吸附的导电炭黑,在Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4纳米片表面形成了新的导电网络,进一步加速反应过程中电子在Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4纳米片上的传输,从而构筑多级导电网络,这显著提高了NC/Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4电催化剂的本征催化活性。     

制备条件对卟啉钴氧还原催化性能的影响

采用合成后未经提纯的粗卟啉、Co(OH)2和碳粉制备卟啉钴用于质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应电催化剂.研究了试样组成和热处理温度等制备条件对催化性能的影响.采用薄层电极结合循环伏安法和单体燃料电池I V特性评价了所制备的电催化剂对氧还原反应的催化活性.     

制备条件对卟啉钴氧还原催化性能的影响

采用合成后未经提纯的粗卟啉、Co(OH)2和碳粉制备卟啉钴用于质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应电催化剂．研究了试样组成和热处理温度等制备条件对催化性能的影响．采用薄层电板结合循环伏安法和单体燃料电池I-V特性评价了所制备的电催化剂对氧还原反应的催化活性．     

氮掺杂碳纳米片的制备及其氧还原反应催化性能研究

氧还原反应(ORR)的催化剂是燃料电池等能量转换技术的核心问题。以糖粉、小苏打和三聚氰胺为主要原料,经过预碳化和高温裂解后,获得了氮掺杂的碳纳米片(NCNS)ORR催化剂。由于在碳纳米片中形成了吡啶氮和石墨氮,该催化剂在碱性条件下显示出优异的氧还原性能。电化学测试表明,半波还原电位为0.84 V(vs.RHE),极限电流密度为4.4m A/cm~2,二者均略优于商业铂/碳(Pt/C)催化剂,此外该ORR催化剂具有较好的稳定性和耐甲醇毒性。鉴于NCNS具有ORR催化活性高、制备方法简单、无贵金属掺杂等优点,其作为Pt/C催化剂的替代品将具有广阔的应用前景。     

纳米Co_3O_4的制备及其在富氢气氛下CO选择氧化反应中的催化性能

过渡金属氧化物四氧化三钴(Co_3O_4)在CO氧化反应中展示了较好的低温活性.Co_3O_4催化剂用于富氢气氛下CO选择氧化反应已引起了人们极大的关注,具有潜在的应用前景.采用液相沉淀-热解氧化方法制备了2种不同形貌的纳米Co_3O_4.用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等技术考察了包括沉淀剂种类、老化时间、焙烧温度等合成条件对生成Co_3O_4形貌、晶粒尺度的影响.制备的Co_3O_4的外形与沉淀前驱物外形直接相关.焙烧温度越高,Co_3O_4的颗粒越大.研究了制得的Co_3O_4在富氢气氛下CO选择氧化反应中的催化性能.对比以上方法制备的Co_3O_4的催化性能发现,催化剂的粒径和比表面积与催化剂的活性存在关联.使用尿素沉淀法并经250～300℃空气热解氧化制得的Co_3O_4具有较好的催化活性.     

铂铅氧化物复合材料的制备及电催化性能研究

氧气还原(Oxygen Reduction Reaction, ORR)催化剂是燃料电池的一个重要组成部分,铂基催化剂是目前最高效的ORR催化剂。利用旋转固载法合成了Pt-PbO_2纳米复合材料,通过电化学性能测试发现:将合成的Pt-PbO_2纳米复合材料作为催化活性位点时,相比于商业Pt/C催化剂,其半坡电位提高了0.04V vs.RHE。Pt-PbO_2纳米复合材料对催化ORR反应具有良好的催化活性和稳定性。     

Co-MOF@CNTs的制备及其电催化氧还原性能的研究

开发用于氧还原反应的高效非贵金属电催化剂是可再生能源技术的核心,但也是一个巨大的挑战.该实验组采用水热法制备了含有钴元素的金属有机框架(Co-MOF)结构,并与碳纳米管(CNTs)复合,制备了Co-MOF@CNTs复合材料,用于催化氧还原反应(ORR).探究了导电材料碳纳米管的负载量对催化剂在0.1 M KOH电解液中催化ORR性能的影响.研究表明,CNTs的加入对Co-MOF材料在碱性电解液中的ORR性能有明显的促进作用,并且和CNTs的负载量有关. CNTs的载量为15 wt%时,Co-MOF@CNTs表现出最佳的ORR活性,ORR起始电位为0.89 V,半波电位为0.78 V,电子转移数为3.7,接近4电子转移过程.半波电位和电子转移数均略低于商业Pt/C催化剂,表现出了良好的ORR催化活性. MOF中的中心钴离子作为金属源起着至关重要的作用,以产生钴金属核,为氧还原反应(ORR)提供活性中心.多壁碳纳米管(MWCNT)可以增强电子的输运,可以作为催化剂材料的导电基底. MOF和CNTs的掺杂为制备其他更加低廉、高效、稳定的非贵金属催化剂提供了设计思路.     

金属基氧电极材料催化机理研究进展

燃料电池作为一种高效、无污染的能源转换器件,受到广泛关注.其阴极氧还原反应是决定电池性能最重要、最关键的因素之一,也是制约其商业化的关键瓶颈因素之一.因此,研究和开发高效氧还原催化剂及其催化机理,对于燃料电池的发展和商业化进程具有十分重要的意义.在简要介绍燃料电池的基础上,综述了近年来金属基氧还原电极材料催化氧还原反应的机理,金属基氧还原电极材料包括Pt催化剂、Pt-M催化剂、杂原子掺杂碳载金属类催化剂等,总结了提高催化活性和稳定性、降低催化剂制备成本和催化剂制备工艺等方面所取得的研究结果,并指出了各类催化剂目前尚待解决的问题和发展方向.     

热解聚苯胺合成氮掺杂MnCo2O4-C氧还原催化剂

通过热解聚苯胺涂层的Mn Co2O4颗粒制备出Mn Co2O4/N-C材料,即一种新型的碱性聚合物电解质膜燃料电池(APEFC)阴极非贵金属催化剂。在不同温度下热处理得到了一系列的Mn Co2O4/N-C催化剂,对其进行XRD、Raman、XPS表征和LSV电化学测试,结果表明:热处理温度为900℃,Mn Co2O4质量分数为15%时,Mn Co2O4/N-C催化剂具有最佳的催化活性,氧还原反应起始电位为0.90 V;该催化剂中石墨型的碳和氮含量最高,这是其具有较高的氧还原催化活性一个重要因素。     

氮掺杂聚苯胺-碳氧还原催化剂的制备与表征

采用软模版法合成聚苯胺前躯体，通过改变过渡金属制备出PANI-FeCo-C、PANI-Fe-C、PANI-Co-C和PANI-C质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极非贵金属催化剂。电化学测试结果表明：4种催化剂中，PANI-Fe-C的催化活性最好，其氧还原反应起始电位达到0.87V。通过X射线衍射光谱（XRD）、拉曼（Raman）光谱、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）测试可知，PANI-Fe-C催化剂中含有较多晶格畸变的碳和石墨型的氮，这些特性是其具有优越氧还原催化性能的重要原因。     

氮掺杂碳基非金属催化剂的制备、表征及氧还原活性的研究

燃料电池是一种清洁高效的发电装置,然而其阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢,往往需要贵金属作为催化剂,制约了燃料电池的应用与发展。为了寻找相对廉价高效的氧还原催化剂,本研究以多壁碳纳米管(MWCNTs)为载体,制备了氮掺杂碳纳米管外包多孔碳(CNTs@MPC-N)催化剂。通过X-射线衍射(XRD)分析,证明了碳纳米管外壁所包裹的碳层为无定型碳;X-射线光电子能谱(XPS)分析结果表明,N元素成功掺入到了催化剂中。采用透射电镜(TEM)和电化学线性扫描(LSV)等对催化剂的形态和电化学性能进行了表征,结果表明:该催化剂催化氧还原反应过程为4电子过程,碳层的包覆有利于氮元素的掺杂,与其他氮掺杂碳基非金属催化剂相比,氮含量提高了2%~3%。本研究为提高掺杂氮含量提供了新的方法,基于目前的研究现状,展望了氮掺杂碳基非金属催化剂在燃料电池中的应用前景及未来的发展趋势。     

ZIF-67制备的磷掺杂碳催化剂及其氧还原性能

开发高效、廉价的碳基氧还原(ORR)催化剂是质子交换膜燃料电池等先进能源系统商业化应用的关键。以金属有机框架材料ZIF-67为原料,通过热处理、磷掺杂等过程得到高性能的ORR催化剂。该催化剂对ORR具有优异的催化性能,相较于商业Pt/C催化剂,其具有更高中部电位(Half-wave potential)。与此同时,该催化剂还具有非常好的甲醇耐受性与稳定性,并对四电子催化过程具有非常高的选择性。     

La_(0.95)FeO_(3-δ)/C复合电极制备工艺对氧还原和氧析出催化性能的影响

为优化具有A位镧缺失的铁酸镧(La_(0.95)FeO_(3-δ))钙钛矿的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)双功能电催化性能,研究La_(0.95)FeO_(3-δ)/C复合电极中碳的形态、电极浆料制备方法和催化剂载量对双功能电催化性能的影响,并分析其影响机理.结果表明:当La_(0.95)FeO_(3-δ)与导电碳形成复合电极时,ORR和OER催化活性显著提高;La_(0.95)FeO_(3-δ)/C复合电极的电催化性能与碳的形态以及电极浆料制备方法密切相关,在超声分散-球磨-超声分散的最佳浆料制备方法下,当以EC600JD为导电碳,La_(0.95)FeO_(3-δ)与EC600JD的载量分别为0.6 mg/cm~2与0.12 mg/cm~2时,ORR和OER催化活性最佳.经过工艺优化的La_(0.95)FeO_(3-δ)/C复合电极具有优异的双功能电催化性能,且其制备简单、成本低,有望在锂氧电池等器件中得到应用.     

碱性介质中Co掺杂的Pt/C电催化氧还原的性能

采用溶胶法制备了用于阴离子膜直接甲醇燃料电池的Pt-Co/C阴极电催化剂,并用X射线衍射、X射线能谱和透射电镜技术对催化剂进行了表征.结果表明,制备的Pt-Co合金颗粒分布均匀,粒径为2～6 nm,其组成与前驱体中相应金属的原子数比基本吻合.用电位线性伏安扫描法测试电化学活性及抗甲醇性.结果显示,随着碱性的增加,氧还原起始电位降低,峰电流减小,催化活性降低;相同碱性电解液中不同原子数比例的Pt-Co/C催化剂活性以Pt80Co20/C的活性最佳,其催化活性和抗甲醇性比Pt/C有显著提高,在0.1 mol/L KOH溶液中其峰电流密度达到95 mA/mg.     

碱性膜燃料电池阳极双催化层结构与性能研究

改善阳极水管理是碱性阴离子交换膜(AEM)燃料电池重要的研究课题.在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极研究中,发现改变催化层内部结构能够有效改善阴极的水管理能力,然而目前关于AEM燃料电池催化层相关研究较少.本研究针对AEM燃料电池阳极水分布特点,利用Pt/C和PtRu/C催化剂在碱性条件下氢氧化反应(HOR)的活性差异,设计了双层催化剂结构.当活性较高的PtRu/C层靠近气体扩散层,活性较低Pt/C层靠近AEM时,双催化层形成与单一催化层水分布相反的活性梯度,能够有效改善水分布,在测试温度为30℃和100%相对湿度时,获得较高峰值功率密度88.1 m W/cm~2.研究成果为碱性膜燃料电池的阳极催化层结构设计提出一种新思路.     

氮、硫共掺杂多孔类石墨烯碳催化剂的制备及其氧还原性能

开发廉价、高性能的碳基非贵金属氧还原(ORR)催化剂是很多先进能源系统(如:质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池等)商业化应用的关键。采用聚丙烯腈前驱体,以升华硫为硫源,以氧化锌为模板,通过聚合、热处理等过程得到了氮、硫共掺杂的多孔类石墨烯ORR催化剂。该催化剂在碱性介质中表现出优异的ORR性能,其中部电位比商业Pt/C催化剂高出32 m V。除了优异的ORR催化性能,该催化剂还具有优异的稳定性、甲醇耐受性及接近100%的四电子催化过程选择性。通过研究催化剂的理化性质与ORR性能之间的关联,发现,引入硫后,催化剂的组成、结构、形貌都发生了明显的变化,而这些变化是催化剂具有优异ORR性能的重要原因。     

中心电子富集的NO-FeN4位点作为质子交换膜燃料电池的高级酸性氧还原反应电催化剂(英文)

开发非贵金属催化剂,特别是用于碳上铁氮(FeNC)材料的催化剂,对于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的广泛应用是一个迫切需求。然而,传统铁氮位点在酸性条件下的氧还原反应(ORR)活性较差,严重阻碍了其电池性能的进一步提高。本文通过限域的小分子合成策略,大规模合成了具有一氧化氮(NO)基团轴向修饰的FeN₄ (表示为NO-FeN₄)。得益于NO基团的强吸电子效应,与传统的FeN₄样品相比,富含电子中心FeN₄位点表现出超高的ORR活性,具有三倍高的质量活性(0.85 V时为1.1 A·g^-1),以及全四电子反应选择性。此外,用所制备的电催化剂组装的质子交换膜燃料电池也表现出显著增强的峰值功率密度(>725 mW·cm^-2)。这项工作为合理设计用于氧还原的先进M-Nx非贵金属电催化剂提供了一种新的方法。     

基于3d过渡金属的氧电极材料研究进展

氧还原催化剂及缓慢的阴极氧还原动力学是制约低温燃料电池商业化的关键瓶颈因素之一.非贵金属氧还原催化剂是近年来低温燃料电池最受关注的研究热点之一.在简要介绍燃料电池及氧还原反应机理的基础上,详细地综述了近年来低温燃料电池用3d过渡金属基氧还原催化剂的主要研究进展,包括过渡金属大环化合物、过渡金属-氮/碳类化合物、过渡金属硫族化合物和过渡金属氧化物,总结了提高催化活性和稳定性、降低催化剂制备成本以及催化剂制备工艺等方面所取得的研究结果,并指出了各类催化剂目前尚待解决的问题和发展方向.     

磁性负载催化剂Pd/Fe_3O_4的制备及其在Sonogashira反应中的应用

利用浸渍法制备Pd/Fe_3O_4负载型磁性纳米催化剂并对其进行表征,研究Pd/Fe_3O_4在碘苯与苯乙炔的Sonogashira偶联反应中的催化性能.结果表明:在100℃、DMF为溶剂、K_2CO_3为碱源的反应条件下, Pd的负载量摩尔分数为13.7%时, Pd/Fe_3O_4的催化活性最高;其催化活性与负载的纳米Pd粒径有关, Pd粒径为3.56 nm时催化性能最佳;利用外磁场分离回收催化剂,循环使用5次后,其催化产率为75.3%,仍有较高的催化活性.     

直接甲醇燃料电池用Co-N-C电催化剂的制备及性能

以三聚氰胺甲醛树脂和硝酸钴为前驱体,在Ar保护下采用高温碳化方法制备用于直接甲醇燃料电池(DMFC)阴极的含氮碳载钴(Co-N-C)氧还原电催化剂.利用热重与红外光谱联用、X射线衍射分析、元素分析等方法表征了催化剂的制备过程和结构,采用旋转圆盘电极测试考察了不同碳化温度对Co-N-C电催化剂氧还原催化活性的影响及电催化剂的耐醇性能,并采用该催化剂为阴极催化剂进行DMFC单电池测试.结果表明:Co-N-C电催化剂具有较高的电催化活性和较好的耐醇性能;其氧还原起始电位在0.5V(vs.SCE)左右;700℃碳化温度下制备的Co-N-C电催化剂具有最高的氧还原催化活性.