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。     

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。     

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.     

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。     

阴离子膜燃料电池阴极Co_3O_4/C催化剂的制备及ORR性能

为降低阴离子膜燃料电池阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)催化剂的成本,通过简单的超声方法制备碳担载纳米Co_3O_4(Co_3O_4/C)催化剂,通过XRD、SEM手段对其结构、形貌进行表征,并评价其催化氧还原性能.结果表明,Co_3O_4/C催化剂在碱性溶液中表现出良好的ORR催化活性:随着Co_3O_4含量增加,催化活性先增加后减小;Co_3O_4含量达50%时,催化性能达到最佳,此时,氧还原反应的极化电流密度为2.93 m A·cm-2(@-0.8 V),氧还原反应的电子转移数为2.51.与传统的Co_3O_4/C相比,本实验采用超声法制备的Co_3O_4/C催化剂合成方法简单、成本低,且有较高的氧还原活性,因此,在阴离子膜燃料电池阴极催化剂中有良好的应用前景.     

moCNTs/PyPBI/Mela(Co)电催化剂的制备及性能研究

采用溶液共混和高温热解两步法,以聚苯并咪唑(PyPBI)和三聚氰胺(Mela)为复合氮源,中度氧化的碳纳米管(moCNTs)为碳源,醋酸钴为金属源,制备出一系列moCNTs/PyPBI/Mela(Co)催化剂,对其进行TEM、TGA、XRD、XPS表征和电化学活性测试,结果表明:当moCNTs/PyPBI(Co)前驱体与三聚氰胺的质量比为1∶2,热解温度为800℃时,催化剂的起始还原电位可达到0.87V(vs.RHE),接近于商业Pt20%/C催化剂。moCNTs/PyPBI/Mela(Co)催化剂催化性能的提高归因于其结构中的吡啶氮与钴结合形成Co-N活性位点,增加对O2的吸附能力,弱化了O—O键,促进氧分子的还原反应,促使ORR反应通过4e-途径进行。     

银/二氧化锰复合催化剂的制备 及其对氧还原的电化学活性

通过化学还原法,在多壁碳纳米管(MWCNT)负载的二氧化锰纳米颗粒表面上进一步沉积银纳米颗粒,制备银/二氧化锰电极材料(Ag/MnO_2/MWCNT).利用循环伏安(CV)和线性扫描技术(LSV),测试了这些催化剂对碱性溶液中氧还原反应(ORR)的电化学活性.结果表明,MnO_2为5%(wt%)与10%的催化剂对ORR均表现出强的电活性,它们的ORR起始电位约为0.02 V(vs. Hg/Hg O).在Ag/5%MnO_2/MWCNT电极上,ORR的极限扩散电流密度是2.86×10~(-3)A/cm~2(1 200 r/min),高于Ag/MWCNT.Levich方程分析表明,在Ag/5%MnO_2/MWCNT催化剂上,ORR电子转移数明显大于Ag/MWCNT,说明在Ag/5%MnO_2/MWCNT上氧气能更彻底地还原.结果表明,适量MnO_2的加入能明显改善Ag/MWCNT对ORR的电活性.     

CoPtPb纳米合金的一锅法合成及其电化学性能研究

采取乙酰丙酮钴、乙酰丙酮铂和乙酰丙酮铅作为反应物,通过一锅法在340℃下制备得到CoPtPb三元纳米合金.采用SEM、XRD对CoPtPb材料的表面形貌、晶体结构和成分进行分析,研究不同组分的CoPtPb材料的电化学氧还原性能和产氢性能.研究发现,CoPtPb达到与商业Pt/C相近的ORR(氧化还原反应)活性,循环1 000圈后,仍然表现出较好的ORR速率,几乎没有衰减.在HER(析氢反应)活性上则优于传统商业Pt/C.结果表明,一锅法制得的CoPtPb三元纳米金属颗粒具有较好的稳定性和催化活性,对减少电催化剂中贵金属的消耗具有参考价值.     

SnO2对氧还原催化剂(Ag,Pd,Pt)催化活性的增效研究

为进一步提高催化剂(Ag,Pd和Pt)对氧还原反应(ORR)的催化活性,通过原位还原法将催化剂选择性沉积在碳纳米管(CNTs)负载的SnO_2表面,制得相应复合催化剂,同时制备了将SnO_2溶解处理的催化剂以作比较.电化学测试结果显示,SnO_2可显著改善贵金属催化剂ORR催化活性,表明利用SnO_2提高表面负载金属催化剂ORR活性有普适意义.     

微结构对纳米碳纤维氧阴极还原性能影响

在制备微结构可控纳米碳纤维基础上,研究纳米碳纤维微结构对氧气电催化还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)性能的影响.利用化学还原法合成了Pt电催化剂,研究了纳米碳纤维微结构对Pt/CNFs电催化剂电催化性能的影响.研究发现,相对于基于活性炭的电催化剂,载于纳米碳纤维的电催化剂具有较高的ORR活性;同时,基于板式纳米碳纤维的电催化剂表现出最高的ORR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。     

多孔Fe-N-C催化剂的制备及其电催化氧还原反应的研究

非贵金属电催化剂有望成为新一代氧还原反应催化剂。文章报道了使用双氧水刻蚀氧化石墨烯,继而负载氯化血红素来合成多孔Fe-N-C催化剂,以实现有效的四电子氧还原反应。催化剂不仅含有许多Fe、N掺杂活性位点,而且其多孔结构极大地减小了电阻,并有利于物质的传输。测试了在0.1 mol·L~(-1) KOH溶液中对氧还原反应的催化活性,其起始电位、半波电位和极限电流密度分别达到0.92 V,0.81 V,和5.71 mA·cm~(-2),接近甚至优于商业Pt/C(0.98 V,0.85 V和5.34 mA·cm~(-2))。而且在测试15 000 s后,Fe-N-HGO电流密度仅下降了8%,同样条件下Pt/C的电流密度却下降了约30%。说明Fe-N-HGO的稳定性更优越。     

氢燃料电池阴极氧还原反应电催化剂研究进展

氢燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的能量转换装置,具有转换效率高、噪声低、无污染、原料多样且用途广泛等优点,但其阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)动力学缓慢,极大地限制了其大规模应用与发展．因此,研发高效、耐用兼具经济性的ORR电催化剂是当前研究热点之一．在众多科研工作者的努力下,关于ORR电催化剂的研究工作已取得了许多重要突破性进展．本综述系统介绍了ORR反应机制和目前3种主流类别的ORR电催化剂(贵金属、非贵金属、碳基)的研究进展,着重分析了不同催化剂体系的性能与优缺点,并探讨了高性能ORR电催化剂的合成策略及其未来的发展方向．      

Pt/SixTiyOz/C复合电催化剂的制备及其对氧还原反应的催化作用研究

首次以正硅酸乙酯和钛酸丁酯处理XC-72R炭黑获得一种复合载体材料, 然后采用有机溶胶法制备W(Pt)=20%、W(钛硅氧化物)=4%的Pt/SixTiyOz/C催化剂.XRD图谱显示,该催化剂上负载的Pt纳米颗粒粒径约为1～2 nm.值得关注的是: Pt/SixTiyOz/C虽然与相同Pt载量的Pt/C催化剂具有相似的电化学活性表面积,但是其对于氧还原反应的催化剂活性却比Pt/C大得多.在O2饱和的0.1 mol/L HClO4溶液中, Pt/SixTiyOz/C和Pt/C催化剂ORR极化曲线的扩散电流密度分别为1.6 mA/cm2和2.4 mA/cm2.可见SixTiyOz二元氧化物的添加可以极大地提高催化剂对氧还原反应的催化活性.     

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。     

V_2O_5/TiO_2催化剂上甲苯气相氧化制苯甲醛

采用浸渍法,制备出一系列不同负载量的V_2O_5/TiO_2催化剂;并采用XRD、FT-IR、N_2-物理吸附对催化剂结构进行表征.结果表明,适量的V_2O_5可较好地分散在TiO_2载体上,其中15%V_2O_5/TiO_2催化剂展现出更好的催化活性.在优化的工艺条件:反应温度为350℃,空速为2500h-1,n(air):n(toluene)=5:1,在15%V2O5/TiO2催化剂上,甲苯的转化率为7.3%,苯甲醛的选择性和收率分别为79.1%和5.8%.     

氮掺杂石墨烯负载钴基多组分纳米粒子作为锌空气电池的先进阴极催化剂

为了提高锌空气电池 (ZABs) 中阴极氧气还原反应 (ORR) 的效率,本文提出了一种吸附–络合–煅烧方法,在石墨烯纳米片上形成包含 Co、Co₃O₄ 和 CoN 的多组分钴基纳米粒子及大量N掺杂原子,获得 Co/Co₃O₄/CoN/NG复合材料。尺寸小于50 nm的Co/Co₃O₄/CoN 纳米粒子均匀分散在 N 掺杂石墨烯 (NG) 基底上,极大地改善了ORR的电催化行为。测试结果表明,所制备材料催化ORR的半波电位高达0.80 V vs. RHE,极限电流密度为4.60 mA?cm?2,与市售的铂/碳 (Pt/C) 催化剂接近。作为ZABs的阴极催化剂,该电池的比容量和开路电压分别为 843.0 mAh?g?1和1.41 V。优异的性能归因于高度分散的Co/Co₃O₄/CoN纳米颗粒和掺杂氮原子提供了大量的催化活性位点,以及石墨烯二维结构提供了高表面积及快速的电子传输通道。     

Co-N-C氧还原反应电催化剂的制备及性能研究

锌空气电池可作为一种无污染、长效、稳定可靠的电源,但其阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction, ORR)缓慢的动力学过程严重阻碍了大规模应用。本文通过表面活化策略在炭黑上构筑不饱和位点用于锚定Co,再以不同质量比的尿素作为氮源,制备了不同氮掺杂量的催化剂,并测试了一系列催化剂的ORR活性,及其在不同电解液中活性的差异。将催化剂用于组装锌空气电池,开路电压达1.441 V,并表现出良好的放电性能,峰值功率密度可达123.5 mW·cm^-2。     

钴基氧还原电催化材料研究进展

氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)是能量转换和储存系统的关键电极反应。目前,贵金属基材料,如铂和钯,是ORR最有效的催化剂,但其地球储量稀少、价格昂贵,且抗甲醇和CO性能差。因此,开发新型、低成本、高性能的氧还原电催化剂对能源转化和储存具有重要意义。综述了近年来非贵金属钴(Co)基氧还原电催化材料的研究进展及其性能调控策略,分为Co合金、Co-N-C、Co纳米粒子、Co基氧化物、Co基磷化物和Co基硫化物等多种形式,并对未来开发低成本、高性能的氧还原催化剂进行了展望。     

CocorePdshell/C核壳型纳米粒子电催化氧还原性能

应用胶体粒子模板法制备不同壳层厚度的CocorePdshell纳米电催化剂。TEM、XRD和EDS证实,CocorePdshell纳米粒子基本为球形,面心立方晶型(fcc)Pd成功包覆在纳米金属Co的表面,其中,Co1Pd2纳米粒子平均直径约10 nm且粒径分布较窄。动电位、交流阻抗、循环伏安及原位傅里叶变换红外反射光谱等电化学测试结果表明:与Pd/C相比,CocorePdshell/C纳米粒子对氧还原反应(ORR)的活性有明显的提高,甚至接近于Pt/C;抗甲醇能力非常优异,对甲醇氧化几乎无活性;不同壳层厚度催化剂中,以Co1Pd2/C催化剂的活性最高,在0.5 mol/L H2SO4中氧还原峰电流密度可达175.5 mA/mg,比Pt/C的要高出20 mA/mg。