氮掺杂有序介孔碳-Ni纳米复合材料的制备及电化学性能

以F₁₂₇为模板剂,NiCl₂为镍源,尿素为氮源,间苯二酚甲醛原位聚合树脂为碳源,分别采用均相法和两相法制备Ni-N-OMC-1,Ni-N-OMC-2纳米复合材料.X射线衍射(XRD)、激光拉曼以及透射电子显微镜(TEM)等测试结果表明,复合材料具有有序介孔结构,Ni以金属微粒形式嵌于碳骨架中,提高了有序介孔碳的石墨化程度.X射线光电子能谱测试(XPS)表明尿素热解后以4种形式存在:sp³杂化与C结合的N原子,吡啶N原子,sp²杂化与C结合的N原子以及quaternary-N原子.Ni-N的共改性改变了碳载体的理化性质,有利于Pt纳米粒子的负载与分散.均相法制备的Ni-N-OMC-1复合材料微波负载Pt后,氧还原极限电流密度为5.32mA·cm^-2,氢氧化电化学活性面积高达138.53m²·g^-1,电化学催化活性优于商业20%Pt/C材料(4.49mA·cm^-2,96.98m²·g^-1).     

碳材料中多层次孔对负载铂电催化活性的影响

分别以商用碳黑XC-72、介孔碳CMK-5和含多层次孔的碳气凝胶HCA为载体, 微波法负载Pt纳米粒子, 在硫酸和甲醇溶液中进行循环伏安测试, 考察碳材料中多层次孔对其电催化活性的影响. 结果显示, Pt/HCA电极表现出较高的峰电流(7.5 mA·cm-2)和电化学活性面积(128.0 m2·g-1). 这可能是因为碳气凝胶具有连续但非周期性的介孔结构, 有利于Pt纳米粒子的分散以及反应物质的传质.     

有序介孔碳的微波快速合成和表面修饰及其负载性能

以低聚合度酚醛树脂为碳源、三嵌段共聚物F127(Mw=12600,PEO106PPO70PEO106)为模板导向剂,以微波辐照替代传统的烘箱热聚合,在常见功率下(400～800W)快速(15～60min)聚合,并高温碳化获得介孔碳。XRD、TEM、低温N2吸脱附等测试表明所得样品具有高度有序的介孔结构,比表面积和孔容分别可达614m2·g-1和0.47cm3·g-1。合成的介孔碳经NaBH4和胶体钯溶液两步修饰处理,表面被活化并沉积了Pd颗粒,导电性和亲水性均得到改善,载Pt的量和分散性明显提高,Pt/C催化剂的电化学活性面积由4m2·g-1增加到29m2·g-1。     

有序介孔C/NiO复合材料的合成及其电化学性能

以嵌段共聚物F127(Mw=12600, PEO106PPO70PEO106)为模板剂, Ni(Ac)2·4H2O为Ni源, 低分子量的酚醛树酯为碳源, 通过溶胶-凝胶三元共组装方法合成高度有序介孔C/NiO复合材料. 对样品进行X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、N2吸脱附等结构表征及循环伏安(CV)等电化学性能测试. 结果显示, NiO晶体和碳组成了C/NiO复合材料的基本骨架, 该复合材料具有高度有序的介孔结构. NiO晶体的存在极大地提高了复合材料的电化学性能, 当C/NiO达到4:1(苯酚与Ni(Ac)2·4H2O的摩尔比)时复合材料的比电容达到444.1 F·g-1, 而有序的介孔结构并没有被破坏, 使得该材料具有较好的应用前景.     

功能化有序介孔碳对重金属离子Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的选择性吸附行为

以三嵌段共聚物F127为模板剂,酚醛树脂为碳源,正硅酸乙酯为硅源,三组分共组装合成介孔碳-氧化硅纳米复合物,再经HF去除氧化硅,得到有序介孔碳(OMC).X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、低温N2吸脱附(BET)等测试表明,所得样品具有高度有序的介孔结构,比表面积和孔容分别为1330m2·g-1和2.13cm3·g-1,平均孔径6.4nm.对其先氧化、后氯化、再胺化,得到不同胺基接枝量的胺化介孔碳(C-NH2(m),m为加入的乙二胺的质量(g)).傅里叶变换红外(FT-IR)光谱表征结果证实,胺基官能团成功接枝到有序介孔碳表面.TEM测试表明介孔碳的有序孔道结构得到了较好的保持.以有序介孔碳、胺化介孔碳作吸附剂对Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)进行选择性吸附研究.结果表明:功能化修饰前,样品对Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)饱和吸附量分别为213.33、241.55mg·g-1;修饰后饱和吸附量可分别达到495.05、68.21mg·g-1.功能化介孔碳表现了较强的选择性吸附Cu(Ⅱ)的能力.     

有序介孔碳负载Fe、Co、Ni纳米晶的软模板合成及其表征

报道了在有序介孔碳基体中一步合成负载Fe、Co、Ni纳米晶的方法. 以间二苯酚和甲醛为碳源, F127为模板剂, Fe、Co、Ni的硝酸盐为前驱体, 通过软模板组装路线在酸性条件下合成了负载型有序介孔碳复合材料. 采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和氮气吸附等手段对所合成材料进行了表征. 结果表明: 合成的材料具有类似于SBA-15的有序介孔结构, 有序介孔碳负载Fe、Co、Ni纳米晶复合材料的比表面积分别为586、626和698 m²·g^-1. XRD和TEM表征结果证实了金属物种以高分散纳米晶的形式分布在介孔碳基体中.     

电化学混合电容器用新型聚吡咯/介孔碳纳米复合电极

采用介孔碳CMK-3作为载体,通过化学原位聚合的方法制备出一种新型的聚吡咯/介孔碳(PPy-CMK-3)纳米复合材料.将该纳米复合材料作为正极,配以介孔碳CMK-3为负极和1.0mol·L-1NaNO3中性电解液,组装成为电化学混合电容器.电化学测试表明:在5.0mA·cm-2电流密度和1.4V充放电电位条件下,其放电比容量达57F·g-1,电容器功率密度为2.5×102W·kg-1,能量密度达17Wh·kg-1.当电流密度从5.0mA·cm-2增加至50mA·cm-2时,电容器的容量保持率在80%以上,显示高倍率充放电特性优异.此外,聚吡咯-介孔碳/介孔碳电化学混合电容器易活化,并具有优异的充放电效率和良好的循环稳定性能.     

MCl_x(M=Pd,Fe,Cr)对有序介孔碳的辅助合成及其负载Pt后的电催化性能

以MClx(M=Pd,Fe,Cr;x=2,3,3)为金属源,辅助合成有序介孔碳(OMC),以改善其负载Pt后的电催化性能.X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)测试结果显示,适量PdCl2的引入并未破坏介孔碳的有序结构,由于经历有机碳的高温裂解,OMC-PdCl2主要以金属Pd为存在形式,较为均一嵌入OMC的骨架中,并在负载Pt的过程中与Pt形成二元催化剂.电化学氢吸附-脱附测试结果表明,Pt/OMC-MClx表现出优异的催化性能,电化学活性面积为Pt/OMC的2-4倍;其中Pt/OMC-PdCl2最佳,活性面积达120.2m2.g-1,Pt/OMC-CrCl3和Pt/OMC-FeCl3次之.此外,Pt/OMC-MClx还具有良好的催化稳定性,经100个循环测试后,依然保持较高的催化活性,仅衰减22%-40%,使得该材料在催化领域具有很好的应用前景.     

介孔氮化碳的合成及其在环境卫生领域中的应用

石墨相氮化碳是一种新兴的二维蜂窝状纳米材料,其结构中C原子和N原子以sp2方式杂化,通过PZ轨道上的孤对电子相互作用形成类似于苯环的π键,构成高度离域的共轭体系。这一独特结构使其可与一些离子或分子产生疏水、π－π键、氢键和静电力等相互作用,进而成为一种颇具潜力的吸附剂。但同时石墨相氮化碳本身紧密堆叠的层状结构导致其比表面积较小（< 10 m2/g）。介孔氮化碳应运而生,其具有孔尺寸为2～50 nm的典型介孔结构,与石墨相氮化碳相比,比表面积和孔体积获得有效提高且吸附位点更加丰富。该文总结了介孔氮化碳的合成方法及其在环境卫生领域的应用,并展望了其发展方向。     

银耳状Fe-N-C复合催化剂的制备及催化氧还原性能研究

以无机铁盐和邻苯二胺为基础原料,经铁基螯合前驱体热解反应,制备出Fe-N-C复合催化剂.经扫描电镜观察,带有折褶的碳微纳米片相互交迭,形成银耳状的三维自支撑结构.氮气吸脱附测试表明此结构富含微孔和介孔,比表面积可达290 m2/g.通过X射线衍射(XRD)确证石墨化C和多晶Fe3C作为催化剂主相存在, X射线光电子能谱(XPS)进一步揭示N原子主要以石墨N和吡啶N形式掺杂到C骨架中.电化学测试表明银耳状Fe-N-C复合催化剂在碱性条件下催化氧还原反应为四电子过程,其催化活性可媲美商业Pt/C催化剂.经过2000次氧还原测试后,催化极限电流衰减小于5%,并且半波电势仅负移5 mV(商业Pt/C催化剂负移35 mV),表现出优异的氧还原催化稳定性.     

氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料的制备及其氧还原性能

采用软模板法制备了氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料(WN-W/NOMC),作为一种高比表面积且价格低廉的阴极氧还原反应催化剂。通过适量添加尿素来改变复合材料中的氮含量,在掺氮量为7%(w/w)时,实验发现材料能够保持完整有序介孔结构,测试其比表面积高达835 m~2·g~(-1),透射电子显微镜(TEM)测试结果显示其催化颗粒均匀地分散在氮掺杂有序介孔碳载体上。在O_2饱和的0.1 mol·L~(-1 )KOH溶液中测试了材料的氧还原催化性能(ORR),显示其起始电位为0.87 V(vs RHE),极限电流密度为4.49 mA·cm~(-2),氧还原反应的转移电子数为3.4,接近于20%(w/w)商业Pt/C的3.8,说明该材料表现出近似4电子的氧还原反应途径。研究结果表明,WN-W/NOMC的催化性能虽然稍弱于商业铂碳(0.99 V,5.1 mA·cm~(-2)),但其具有远超铂碳的循环稳定性和耐甲醇毒化能力。     

氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料的制备及其氧还原性能

采用软模板法制备了氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料（WN-W/NOMC）,作为一种高比表面积且价格低廉的阴极氧还原反应催化剂。通过适量添加尿素来改变复合材料中的氮含量,在掺氮量为7%（w/w）时,实验发现材料能够保持完整有序介孔结构,测试其比表面积高达835 m²·g^-1,透射电子显微镜（TEM）测试结果显示其催化颗粒均匀地分散在氮掺杂有序介孔碳载体上。在O₂饱和的0.1 mol·L^-1 KOH溶液中测试了材料的氧还原催化性能（ORR）,显示其起始电位为0.87 V（vs RHE）,极限电流密度为4.49 mA·cm^-2,氧还原反应的转移电子数为3.4,接近于20%（w/w）商业Pt/C的3.8,说明该材料表现出近似4电子的氧还原反应途径。研究结果表明,WN-W/NOMC的催化性能虽然稍弱于商业铂碳（0.99 V,5.1 mA·cm^-2）,但其具有远超铂碳的循环稳定性和耐甲醇毒化能力。     

镍/生物质衍生氮掺杂多孔碳纳米复合材料的制备及对甲醇氧化反应的电催化

以Ni （Ac）₂·4H₂O和生物质材料丝瓜络为原料,通过先浸渍后热解的方法制备了低成本的镍纳米颗粒/丝瓜络衍生氮掺杂多孔碳纳米复合材料（Ni/T-dNPCN）。研究复合材料对甲醇的电催化性能,并讨论热解温度对复合材料结构和性能的影响。结果表明,Ni/T-dNPCN修饰玻碳电极（GCE）在碱性条件下对甲醇氧化反应（MOR）具有良好的电催化活性。其中,800℃煅烧得到的Ni/T-dNPCN₈₀₀/GCE对1 mol·L^-1甲醇具有最低的起始电位（0.344 V （vs Ag/AgCl））、最高的催化电流密度（质量活性：1 902 mA·mg_Ni^-1;比活性：1.61 mA·cm^-2）和最快的动力学反应过程（Tafel斜率：50.23 mV·dec^-1）,其催化活性约为商业化Pt/C/GCE的3.92倍。且计时电流测试表明,Ni/T-dNPCN₈₀₀/GCE具有良好的稳定性。     

Ionic Polyimide Derived Porous Carbon Nanosheets as High-Efficiency Oxygen Reduction Catalysts for Zn–Air Batteries

Two-dimensional (2D) porous carbon nanosheets (2DPCs) have attracted great attention for their good porosity and long-distance conductivity. Factors such as templates, precursors, and carbonization–activation methods, directly determine their performance. However, rational design and preparation of porous carbon materials with controlled 2D morphology and heteroatom dopants remains a challenge. Therefore, an ionic polyimide with both sp²- and sp³-hybridized nitrogen atoms was prepared as a precursor for fabricating N-doped hexagonal porous carbon nanosheets through a hard-template approach. Because of the large surface area and efficient charge-mass transport, the resulting activated 2D porous carbon nanosheets (2DPCs-a) displayed promising electrocatalytic properties for oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline and acidic media, such as ultralow half-wave potential (0.83 vs. 0.84 V of Pt/C) and superior limiting current density (5.42 vs. 5.14 mA cm⁻² of Pt/C). As air cathodes in Zn–air batteries, the as-developed 2DPCs-a exhibited long stability and high capacity (up to 614 mA h g⁻¹), which are both higher than those of commercial Pt/C. This work provides a convenient method for controllable and scalable 2DPCs fabrication as well as new opportunities to develop high-efficiency electrocatalysts for ORR and Zn–air batteries.     

氮掺杂碳纳米管高负载金属催化剂在铝空气电池中的应用

在铁基催化剂(Fe-N-C)中引入金属铈,采用高温热解法合成了氮掺杂碳纳米管(NCNTs)高负载金属催化剂(Fe/Ce-NCNTs)。金属铈的引入能更好地促进碳纳米管(CNTs)的生长,锚定更多的铁原子,增加Fe—NX活性位点的数量。Fe/CeNCNTs催化剂在碱性介质中表现出良好的催化活性和稳定性,半波电位为0.86 V(vs RHE)。将Fe/Ce-NCNTs催化剂应用于铝空气电池(AABs),其峰值功率密度可达142 mW·cm^-2,在50 mA·cm^-2电流密度下放电比容量达到865 mAh·g^-1,在高电流密度负载下具有较高的电压。     

凹形树突状PtCu纳米催化剂的合成及对甲醇电催化的研究

以邻苯二胺为表面活性剂,通过水热釜法一步制备凹形树突状PtCu双金属纳米催化剂(PtCu NCDs)。PtCu NCDs在电催化甲醇氧化(MOR)的应用中表现出非常高的活性和很强的抗有毒中间体作用。PtCu NCDs对于甲醇氧化的质量活性为(0.53 A·mg^-1 Pt)是商业Pt/C(0.26 A·mg^-1 Pt)的2.04倍。从比活性的CV曲线图对比发现PtCu NCDs(1.07 mA·cm^-2)是商业Pt/C(0.55 mA·cm^-2)的1.95倍。而且,PtCu NCDs(2.76)比商业Pt/C催化剂(1.02)表现出更高的I_f/I_b比值。这些优异的电催化活性可能归功于PtCu NCDs特殊的凹形树突状形貌。     

氮掺杂碳纤维负载镍钴硒化物的制备及其电催化析氢性能

以静电纺丝制备的纤维为前驱体,通过煅烧、硒化处理等工艺合成了负载双金属硒化物纳米粒子的氮掺杂碳纤维(NCF)材料((Ni,Co)Se2/NCF),并对其进行了一系列相关的表征,研究了其在酸性和碱性条件下的析氢性能.(Ni,Co)Se2纳米粒子被锚定于NCF中,有效地阻止了纳米粒子的聚集,提供了更多的催化活性位点.电催化...     

氮掺杂MnCo2O4/N-KB的制备及氧还原催化性能

以Mn(Ac)_2和Co(Ac)_2作为前驱体,导电碳Ketjenblack (KB)作为负载碳源,采用水解-水热法制备氮掺杂的MnCo_2O_4/N-KB催化剂材料,对其结构特征和碱性溶液中氧还原反应的催化性能进行表征,并进一步分析其氧还原反应活性。结果表明:MnCo_2O_4/N-KB催化剂的形态是KB骨架上生长纳米级MnCo_2O_4,并且在N-KB和MnCo_2O_4之间形成化学耦合,产生协同作用,有效提高了MnCo_2O_4/N-KB催化剂的氧还原活性。MnCo_2O_4与N-KB的质量比为1∶9时,MnCo_2O_4/N-KB催化剂在O_2饱和0.1mol·L~(-1)KOH溶液中对氧还原反应的电催化性能最佳,反应的极限电流密度为5.7 mA·cm~(-2),半波电位接近0.81 V,电子转移数为4。在相同负载量下,MnCo_2O_4/N-KB催化剂相比商用Pt/C(电流密度5.2 mA·cm~(-2),半波电位0.83 V)有着更高的极限电流密度和耐久性。     

Influence of Hierarchical Porosity in Carbon Material on Electrocatalytic Property of Supported Pt Nanoparticles

The influence of hierarchical porosity on electrocatalytic property was investigated with Pt nanoparticles supported on three types of carbon materials, namely, commercial Vulcan XC-72, ordered mesoporous carbon CMK-5, and hierarchical carbon aerogel (HCA). The electrocatalytic activity of carbon supported Pt nanoparticles was verified by cyclic voltammetry in H₂SO₄ and CH₃OH solution. Pt/HCA presented superior performance with higher peak current (7.5 mA·cm⁻²) and electrochemical active area (128.0 m²·g⁻¹). This could be attributed to the carbon aerogel with continuous but nonperiodical mesopore structure, which facilitated dispersion of Pt nanoparticles and mass transport around reactants and products.