调控碳材料的功函数以大幅度提升其电催化氧还原性能（英文）

氧的电催化还原反应是燃料电池装置与金属空气电池的阴极反应,具有重大的研究意义.在众多的非铂催化剂中,碳材料因其低廉的价格以及独特的物理化学性质受到了广泛的关注.自从发现氮掺杂的碳纳米阵列具有优异的氧还原活性后,不同类型的氮掺杂的碳也得到了深入研究.例如近年来兴起的由金属有机框架衍生的氮掺杂的碳材料,兼具丰富的氮位点及良好的三维结构.氮的掺杂对碳原子具有电子调控的作用,是其高氧还原活性的根本原因.本文对金属有机框架衍生的氮掺杂的碳材料进行进一步的电子结构的优化,以提升催化性能.功函是电子逸出表面所需的最少的能量,是材料的电子结构性质之一,其对氧还原反应的影响也有报道,早期以理论计算为基础,探究氧气分子在碳材料表面的解离能与氮掺杂的碳的表面功函的关系,后续则采用开尔文探针显微镜,直接测量了不同元素掺杂的碳表面功函,并建立起功函与氧还原动力学的线性关系.本文通过控制碳材料的功函来调节其电子结构.铯是一种经典的给电子物质,通过将电子注入到掺杂材料表面来降低其功函.因此,本文通过CsCO3与2-甲基咪唑、Zn(NO3)2煅烧形成铯修饰的氮掺杂碳.电镜及XRD均观察不到所得材料中铯的存在,证明碳层中无大颗粒团聚的铯物种.EDS元素分布图表明,铯在碳层中呈原子级均匀分布.Raman谱结果表明,碳的G带发生明显的位置偏移,证明其面内电子结构发生了明显的改变.XPS结果证明铯成功与氮原子配位,通过铯氮键将电子注入到碳骨架.UPS则最终显示,经过铯的修饰,碳表面功函从4.25 eV下降到3.6 eV.表面功函的降低有利于氧气分子的解离,也调节OOH*中间体的吸附,使其吸附的自由能更接近最优值.材料改性后氧还原性能明显提升,起始电位达到0.91 V vs RHE,半波电位达到0.83 V vs RHE,均接近商业Pt/C催化剂.氧还原反应的动力学电流密度随功函的降低而增大,验证了前人的结论.本文提供了一个较为新颖的电子结构调控策略,为设计新的氧还原催化剂提供了新的思路.     

S掺杂Fe-NC单原子催化剂氧还原机理研究

杂原子掺杂的Fe-NC催化剂在氧还原反应中表现出优异的性能.本工作采用密度泛函理论研究了S原子掺杂对Fe-NC单原子催化剂电子结构的调控及促进氧还原反应的作用机理,分析了硫原子掺杂后Fe-NC催化剂的稳定构型,S原子对FeN₄活性位点电子结构的调控,以及氧气的吸附和氧还原反应作用机理.研究结果表明,在FeN₄活性位点周围掺杂少量S原子,可以提高催化剂的稳定性.S原子掺杂提高氧还原性能的机理为：（1）S原子的掺杂降低了催化剂的带隙,提高催化剂导电性,有利于电催化氧还原反应;（2）S原子的掺杂可以提高催化剂吸附氧气的能力,有利于氧还原反应;（3）体系中引入四个S原子可以降低氧还原反应的过电位,提高FeN₄位点催化氧还原反应的活性.这项工作可能为基于碳材料的单原子催化剂上杂原子掺杂的调控提供新的思路.     

空心氮掺杂碳球锚定单原子铁位点用于高效电催化氧还原反应（英文）

本研究将单原子分散的Fe-N₄位点锚定在氮掺杂空心多孔碳球上用于电催化氧还原反应,研究表明,所制备的FeSAs/HNCSs-800催化剂表现出优异的电催化氧还原性能,其起始电位为0.925 V,半波电位为0.867 V。球差电镜和同步辐射X射线吸收光谱证实了催化剂中存在高度分散的Fe-N₄单原子位点。通过密度泛函理论计算证明单原子Fe-N₄位点是氧还原反应有效的活性位点,其相邻的C缺陷可以有效调控单原子Fe的电子结构,进而提高电催化氧还原性能。     

碳基无金属氧还原电催化剂研究的新进展

以替代铂为目标的高性能廉价氧还原电催化剂的研究为当今科学前沿. 近年来人们发现, 掺杂的碳基纳米结构具有催化活性高、稳定性好、资源丰富、抗CO和抗甲醇能力强等优点, 是一种新型无金属氧还原电催化剂, 具有替代铂基催化剂的潜力. 本文结合作者课题组的最新研究成果, 简要综述了碳基无金属氧还原电催化剂研究的主要进展, 重点关注了富电子氮和缺电子硼单/共掺杂的碳纳米结构的氧还原催化性能及其与电子结构的关系, 展望了碳基无金属氧还原催化剂的发展策略与前景.     

基于内嵌钴/氮掺杂多孔碳三维石墨烯笼的抗团聚高效氧还原电催化剂

氧还原反应是决定燃料电池、金属-空气电池等多种新型清洁能源存储与转化技术之性能与应用的关键反应. 铂及其合金是目前催化活性最好的氧还原反应催化剂,但其高昂的成本限制了规模化应用. 在小尺寸效应作用下,微纳米结构催化剂颗粒在电极制备与电化学反应过程中的团聚限制了催化剂本征催化活性的充分发挥. 本文基于喷雾热解技术,发展了一种基于内嵌钴/氮掺杂多孔碳三维石墨烯笼的高活性、抗团聚非贵金属氧还原反应催化剂. 此结构中,金属有机骨架化合物ZIF-67衍生的钴/氮掺杂多孔碳纳米结构是催化氧还原反应的活性中心,包覆其外的三维石墨烯笼不仅可在钴/氮掺杂碳纳米结构之间构建连续的三维载流子传导网络,且可高效抑制其在催化剂制备与电化学反应过程中的团聚与活性损失. 在碱性电解液中,此类非贵金属催化剂表现出可与铂基催化剂媲美的氧还原反应活性和优异的稳定性.     

ZIF-67衍生的Ag/Co@NC材料及其氧还原性能的研究

氮掺杂的多孔碳材料可作为氧还原反应的催化剂,本文借助ZIF-67富氮多孔的特殊结构,采用湿式逐步还原法将Ag嵌入ZIF-67孔腔内,然后在Ar中碳化成功地制备了Ag/Co双金属嵌入的氮掺杂的多孔碳复合材料（Ag/Co@NC）作为氧还原反应的催化剂. 为了证明Ag的突出作用,同时在Ar中碳化了ZIF-67制备了Co嵌入的氮掺杂的多孔碳材料（Co@NC）. 利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱以及比表面积分析对材料的显微形貌、物相组成、结构进行分析,采用循环伏安和线性扫描极化曲线对材料的氧还原催化活性和催化稳定性进行研究. 结果表明,Ag的嵌入未改变ZIF-67的晶体结构,但是大大提高了材料的氧还原催化活性. Ag/Co@NC材料的半波电位和起始电位均高于Co@NC材料,且其在1000次循环伏安测试前后的半波电位变化仅为30 mV,显示出很好的催化稳定性和甲醇耐受性,可作为燃料电池和金属-空气电池的阴极催化剂.     

钴/氮掺杂碳催化剂及其氧还原催化机理研究

以尿素做氮源、醋酸钴做金属源,用湿法合并高温热处理法合成了钴/氮共掺杂碳的非贵金属氧还原催化剂Co-N/C-T. 采用循环伏安（CV）法和线性扫描法（LSV）探究了氮源和金属源用量以及热处理温度对氧还原反应电催化活性的影响,活性最好的催化剂Co_0.13-N_0.3/C-800的峰电位达到0.829 V（vs.RHE）,接近商用Pt/C的活性,但比商用Pt/C有更好的耐甲醇性和稳定性. 同时,采用SEM,TEM,BET,XRD和XPS方法表征了催化剂结构和组分特征,并提出催化剂可能的电催化活性氧还原反应机理.     

理论探究水溶液条件对TMNxCy催化氮还原性能的增强机制

在电化学氮还原(NRR)合成氨过程中, 为了认识真实水环境对过渡金属掺杂氮碳材料催化NRR活性的影响, 并筛选出实际催化性能最佳的构型, 本研究通过密度泛函理论(DFT)和从头算分子动力学(AIMD)相结合的方法, 对一系列不同配位形式的过渡金属掺杂氮碳催化剂(TMN_xC_y, TM=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn; x=1~4; y=4–x, 总共40种构型)催化NRR的热力学稳定性和实际氮还原催化活性进行了系统研究. 计算结果表明, 本工作所研究的40种催化剂结构均具有较高的热力学稳定性, 可作为实际的NRR候选催化剂. 其中, 利用隐性+显性水溶剂模拟真实水环境时, 过渡金属V掺杂形成的VN₃C₁结构催化NRR酶机制过程的最大吉布斯自由能变值仅为0.35 eV (在U=0 V vs. RHE时), 表现出最佳的NRR催化性能. 总体而言, 本研究采用DFT与AIMD相结合的方法, 深入地阐述了TMN_xC_y催化剂的实际NRR催化过程, 为实验过程做出了更为贴切的理论预测.     

基于镍/氮掺杂碳复合材料的双功能电催化剂合成及电化学性能研究

通过高温热解氢氧化镍/聚苯胺前驱体,制备了镍/氮掺杂碳复合材料,并作为双功能电催化剂应用于可充电锌-空气电池。利用X射线衍射、透射电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱等对样品的形貌与结构进行表征,并利用电化学工作站与旋转圆盘电极对样品的氧还原与氧析出电催化性能进行测试。线性扫描伏安曲线的结果表明,在0.1 M KOH水溶液中氧还原起始电位与半波电位分别为0.894 V和0.833 V vs.RHE,接近商业Pt/C。氧析出过电位在电流密度为10 mA·cm^-2时为0.356 V vs.RHE,略优于RuO₂。     

单源MOF衍生具有三维有序大孔结构的氮掺杂碳包覆铁-氮合金复合材料用于高效氧还原

氧还原反应在一些能源转换系统如金属-空气电池中起着至关重要的作用.目前贵金属基材料(Pt/C)被认为是最有效的氧还原电催化剂,然而价格昂贵和储量有限等因素限制了它的商业化应用,因此探索高效的非贵金属氧还原电催化剂具有重要的意义.近年来,负载过渡金属铁的多孔碳催化剂由于独特的结构和优异的氧还原催化活性成为替代铂基催化剂最有潜力的候选者.该类材料的合成通常采用直接煅烧含有氮源、碳源和铁盐的混合前驱体的制备方法,但是热解时材料的多孔结构以及活性位点的均匀分布很难得到有效的控制.近年来,金属有机框架(MOFs)由于其多孔结构和组成可控等优点而经常被用作自牺牲模板来制备负载铁基纳米材料的多孔碳催化剂,并表现出优异的电催化活性.目前以MOF为前驱体制备高活性的载铁氮掺杂碳复合材料通常需要引入额外的氮源或铁源,因此选择氮含量丰富的铁基MOF材料作为单源前驱体制备载铁氮掺杂多孔碳复合材料具有重要的意义.除此之外,具有多级孔隙率的催化剂可以改善反应时的传质过程,同时有序交联的网络结构能够提供连续的电子传输.本文报道了一种简单可控的制备具有三维有序大孔结构的载铁氮掺杂多孔碳复合催化剂的合成方法,该材料表现出优异的电催化氧气还原性能和优异的催化稳定性.首先,以氮含量丰富的双氰胺和吡嗪配体所构筑的Fe-MOF作为前驱体,利用具有均一尺寸的聚苯乙烯微球作为造孔剂,合成得到了具有三维有序大孔结构的Fe-MOF前驱体,然后通过高温煅烧该单源前驱体制备得到具有三维有序大孔结构的氮掺杂多孔碳包覆铁-氮合金的复合型催化剂(3DOM Fe/Fe-NA@NC).扫描电镜和透射电镜结果表明,材料内形成了有序交联的大孔结构;氮气吸附测试表明,刻蚀之后材料的比表面积明显增加,结合分级多孔特性可以共同促进催化反应的传质过程.粉末X射线衍射结果证实了多孔碳材料中铁和铁-氮合金物种的成功合成.电化学测试结果表明,在0.1 M KOH电解液中,3DOM Fe/Fe-NA@NC-800催化剂表现出优于Pt/C的氧还原活性,其半波电位(E_1/2)为0.88 V,大于商业Pt/C的半波电位(E_1/2=0.85 V).同时,3DOM Fe/Fe-NA@NC-800表现出更加优异的稳定性,经过20000 s测试后,其电流保持率为94%,而Pt/C只保持了78%.关于活性位点探究的对比实验证明在所制备的复合材料中,铁物种作为高效的活性位点参与了电催化氧还原反应,与氮掺杂多孔碳之间的协同作用共同主导了3DOM Fe/Fe-NA@NC优异的氧还原活性.得益于其优异的氧还原活性,将其作为阴极活性材料组装为锌-空气电池进一步探究了其在实际应用中的可行性.本结果拓宽了高效的铁基催化剂的类型,同时也为制备封装非贵金属的多孔碳基催化剂提供了实验指导和理论依据.     

Amorphous Fe Nanoclusters Embedded inside Balloon-Like N-Doped Hollow Carbon for Efficient Electrocatalytic Oxygen Reduction

Rational designs of electrocatalytic active sites and architectures are of great importance to develop cost-efficient non-noble metal electrocatalysts towards efficient oxygen reduction reaction (ORR) for high-performance energy conversion and storage devices. In this work, active amorphous Fe-based nanoclusters (Fe NC) are elaborately embedded at the inner surface of balloon-like N-doped hollow carbon (Fe NC/C_h sphere) as an efficient ORR electrocatalyst with an ultrathin wall of about 10 nm. When evaluated for electrochemical performance, Fe NC/C_h sphere exhibits decent ORR activity with a diffusion-limited current density of ~5.0 mA/cm² and a half-wave potential of ~0.81 V in alkaline solution, which is comparable with commercial Pt/C and superior to Fe nanoparticles supported on carbon sheet (Fe NP/C sheet) counterpart. The electrochemical analyses combined with electronic structure characterizations reveal that robust Fe-N interactions in amorphous Fe nanoclusters are helpful for the adsorption of surface oxygen-relative species, and the strong support effect of N-doped hollow carbon is benefitial for accelerating the interfacial electron transfer, which jointly contributes to improve ORR kinetics for Fe NC/C_h sphere.     

热解条件对氮杂有序介孔炭材料电催化性能的影响

氧还原反应是燃料电池及金属空气电池中极其重要的电化学反应之一,贵金属铂基催化剂被认为是最有效的氧还原反应电催化剂.然而,贵金属铂的资源稀缺以及高成本问题阻碍了相关技术的大规模应用,探索发展廉价高效的贵金属替代型催化剂是推动燃料电池发展的根本解决方案.近年来,人们在非贵金属催化剂开发方面取得了显著进展,其中新型纳米结构掺杂炭材料研究尤为活跃.氮杂有序介孔炭材料由于其高比表面积和独特的孔结构,在燃料电池技术上具有广泛的应用前景.在氮杂有序介孔炭材料的制备过程中,热解条件对炭材料组成、结构及电催化性能有着重要影响.然而,目前尚未见对氮杂炭材料制备过程中热解条件的影响进行系统研究.
　　本文采用我们发展的蒸汽化-毛细管冷凝法,以SBA-15为硬模板浸渍前驱体吡咯,制备出具有高比表面积和独特孔结构的氮杂有序介孔炭材料,系统研究了热解条件(包括热解温度、热解时间和升温速率)对炭材料组成、结构及电催化性能的影响,采用N2吸附-脱附等温线、X射线光电子能谱(XPS)及Raman光谱等方法考察了氮杂有序介孔炭材料的结构和组成,采用循环伏安法与旋转环盘电极研究了其电化学行为与氧还原反应电催化活性及选择性.
　　N2吸附-脱附等温线显示,氮杂炭材料对应IV型吸附-脱附等温线,孔径主要分布在2–10 nm,表明所制材料具有介孔结构.随着热处理温度升高,氮杂有序介孔炭材料比表面积先增加而后降低,热处理时间的延长有利于比表面积增大,但升温速率对所制炭材料比表面积没有明显影响,当升温速率为30 oC/min,900 oC焙烧3 h时,氮杂有序介孔炭材料的比表面积达到最大值888 m2/g. XPS测试结果表明,随着热处理温度升高,氮杂有序介孔炭材料中含氮基团的分解进一步加深,使N含量逐渐降低.延长热处理时间亦然,而升温速率的改变对N含量无明显影响.在热处理温度较低时(600 oC),所得材料中N主要以吡咯氮和吡啶氮的形式存在;当温度达到800 oC以上,吡咯氮转化为吡啶氮和骨架氮,且主要以骨架氮形式存在,说明氮杂有序介孔炭材料的石墨化程度逐渐升高. Raman光谱结果显示,随着热处理温度升高, ID/IG逐渐降低,进一步印证了温度对石墨化程度的影响.
　　电化学测试结果表明,随着热处理温度升高,氮杂有序介孔炭材料的氧还原反应电催化活性逐渐升高,但是当热处理温度从900 oC升至1000 oC时,氧还原反应活性增加很小;升温速率与热处理时间对氧还原反应电催化活性的影响均不明显.与商品Pt/C催化剂相比,900 oC以上所制催化剂均表现出更优异的氧还原电催化活性与选择性.由此可见,热处理温度是决定碳源热化学行为的关键因素,进而决定炭材料表面组成与结构.电化学研究结果表明,800 oC以上进行热处理碳化,所生成石墨化微晶可有效促进电子传递,降低欧姆极化损失,同时,较高的处理温度可促进骨架氮掺杂,从而构建出高效氧还原反应活性位点.因此,氮杂型炭催化剂的组成、结构与电化学性能更多地受控于热处理过程中的热力学,而非热解动力学过程.     

Doping effect of boron and phosphorus on nitrogen-based mesoporous carbons as electrocatalysts for oxygen reduction reaction in acid media

Doped mesoporous carbons comprising nitrogen, boron, and phosphorus (N, B, and P, respectively) were prepared as non-Pt catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) in an acidic solution. The N-doped carbons were varied to increase their catalytic activity through by additionally doping of B and P. All the mesoporous carbons were synthesized by carbonizing polyaniline at 900 °C for the N species, while the B and P species were inserted into the carbon structure at the carbon growth step. The linear sweep voltammogram recorded in the acidic solution showed that the ORR activity of the N-doped carbon catalysts increased significantly after the addition of B. An approximately 19 % increase in the pyridinic N content at the carbon surface was observed, along with B-N-C moieties with a binding energy of 399.5 eV. The non-precious metal ORR catalysts were prepared via pyrolysis, with the insertion of an additional transition metal (iron, Fe). The deconvoluted X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results showed that the Fe-N peak was generated after the pyrolysis. The peak intensity of the quaternary N also increased compared with the pyridic and pyrrolic N, which indicates that Fe serves to catalyze the modification of N species. The numerical examinations showed that N- and B-doped mesoporous carbon (NBC) 1.5 % Fe had the highest limited current (4.94 mA/cm²), with the B-doped carbon still the most active mesoporous carbon catalyst for ORR. As a result, it can be said that Fe positively contributes to the formation of graphitic N, which is known to be an active site for ORR. The cyclic voltammetry results showed that the peak area of the NBC 1.5 % Fe catalyst was larger than that of the N-doped mesoporous carbon (NC) 1.5 % Fe catalyst. It was concluded that B doping enhances the ORR activity and the stability of carbon materials even after 1000 cycles under acidic conditions.     

有机膦酸盐衍生的氮掺杂的磷酸钴/碳纳米管杂化材料作为高效氧还原电催化剂（英文）

随着环境污染和能源危机的日益严重,探索高效的非贵金属氧还原电催化剂来替代商业Pt/C迫在眉睫.其中,报道比较多的是具有钴基活性物种和氮掺杂碳的复合材料例如Co-Nx-C, Co3O4/GO, Co-N/CNT等,该复合材料具有高导电性、良好的稳定性和优异的催化活性.与其他钴基催化剂相比,磷酸钴由于其成本低廉,对环境友好,多功能的优良特性,已被广泛应用于催化、吸附、分离及储能等领域,在电催化方面也有极大的应用潜力.研究表明,磷酸基团不仅可以充当质子受体,也会诱导局部钴原子的几何结构发生扭曲,从而有利于水分子的吸附并促进析氧反应的发生.此外,磷酸钴也被证实具有一定的氧还原活性.尽管磷酸钴电催化剂的研究已经取得了一定进展,磷酸根有利于质子传输,但是其导电性很差,不利于电荷的转移和传输,使得其电催化活性不高.将磷酸钴和导电碳材料复合是解决问题的有效方法.而且,磷酸钴在碱性溶液中并不稳定,极大限制了其在电催化氧还原中的应用.金属有机膦酸盐是一类包含金属离子和有机膦酸配体的杂化材料,通过简单的焙烧便可以很容易地得到金属无机磷酸盐,并且在焙烧过程中氮掺杂的碳也会原位产生,并包覆在磷酸钴的表面,使得其导电性和催化活性大大提高.为此,本研究组制备了有机膦酸钴衍生的磷酸钴和氮磷掺杂的石墨烯的复合材料并用于电催化氧还原和析氧反应,所得到的材料导电性和稳定性良好,然而,该催化剂的表观活性与商业Pt/C相比仍有较大差距,且使用有机膦酸钴作为前驱体对活性的影响也不甚清楚.因此,本文采用含氮的有机膦酸配体乙二胺四亚甲基膦酸钠(EDTMPS)为磷源制备了氮掺杂的磷酸钴/碳纳米管杂化材料(CoPiC-N/CNT-3),其催化活性和稳定性良好,并进一步探讨了各种不同因素对电催化活性的影响.XRD和TEM结果表明,用这种方法得到的磷酸钴(CoPiC)为Co2P2O7物相,与磷酸二氢钠为磷源制备得到的CoPi相比,CoPiC的表面有石墨化碳层的存在, EDS图谱表明, Co, P, C, N均匀地掺杂到复合材料的骨架结构中.Raman光谱结果表明,石墨化碳层的存在和适量的碳纳米管的引入均可以增强复合材料的石墨化程度并提高了导电性,而氮掺杂导致其缺陷位点增多.XPS结果进一步表明,有机膦酸钴可以作为前驱体可制得氮掺杂的磷酸钴/碳纳米管杂化材料.电催化反应测试表明, CoPi C-N/CNT-3的氧还原活性与商业Pt/C相当,其遵循的是4电子的反应路径,而且抗甲醇氧化能力和稳定性均优于Pt/C.原因主要归结于以下几点:(1)磷酸钴颗粒与氧化碳纳米管的协同作用可以显著增强氧还原催化活性,引入的碳纳米管可以克服磷酸钴导电性差的缺陷;(2)磷酸钴在复合材料中分散均匀,使得可以充分利用催化剂的活性位点;(3)氮掺杂可以调变材料的电子结构,从而改善催化活性;(4)石墨化碳层的存在可以改善材料的电子导电性和稳定性,有利于电子转移并可以保护磷酸钴颗粒在催化氧还原反应过程中不被电解液腐蚀.可见,所制有机膦酸衍生的氮掺杂的磷酸钴/碳纳米管杂化材料有望替代Pt/C催化剂,并推动清洁可再生能源领域的相关研究.     

3D nitrogen-doped graphene aerogel-supported Fe3O4 nanoparticles as efficient electrocatalysts for the oxygen reduction reaction

Three-dimensional (3D) N-doped graphene aerogel (N-GA)-supported Fe(3)O(4) nanoparticles (Fe(3)O(4)/N-GAs) as efficient cathode catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) are reported. The graphene hybrids exhibit an interconnected macroporous framework of graphene sheets with uniform dispersion of Fe(3)O(4) nanoparticles (NPs). In studying the effects of the carbon support on the Fe(3)O(4) NPs for the ORR, we found that Fe(3)O(4)/N-GAs show a more positive onset potential, higher cathodic density, lower H(2)O(2) yield, and higher electron transfer number for the ORR in alkaline media than Fe(3)O(4) NPs supported on N-doped carbon black or N-doped graphene sheets, highlighting the importance of the 3D macropores and high specific surface area of the GA support for improving the ORR performance. Furthermore, Fe(3)O(4)/N-GAs show better durability than the commercial Pt/C catalyst.     

以细菌纤维素为前驱体简便制备氮掺杂碳纤维气凝胶作为高效氧还原催化剂

数十年来,碳气凝胶因其在催化剂载体、电容器和锂电池电极材料以及吸附剂等领域的潜在应用而备受关注.然而,传统碳气凝胶的制备往往使用昂贵且有毒的前驱体,其方法也较为复杂,不利于大规模生产及应用.本文介绍了一种以细菌纤维素为前驱体制备氮掺杂碳纤维气凝胶的方法.该方法廉价高效,简单易行且对环境无害.所制气凝胶具有密度低、孔隙度高、比表面积大以及导电性良好等优点.它继承了细菌纤维素生物质优异的三维交联多孔结构的特点,可直接用作氧还原催化剂,表现出优异的催化性能,预示着其广泛的应用前景.这在该领域的应用报道尚属首次.     

铁、氮掺杂石墨烯/碳黑复合材料的制备及氧还原电催化性能

以高含氮量的2-氨基咪唑为氮源,三氯化铁为铁源,高比表面积的KJ600碳黑为载体,通过水热法制得氨基咪唑聚合物前驱体,再经二次高温热处理,制得石墨烯/碳黑复合材料. 透射电镜表征显示该材料为石墨烯纳米片与碳黑颗粒的复合结构. BET表征表明这是一种多孔结构,具有很高的比表面积（882 m²•g^-1）,这有利于暴露更多活性位点,并促进传质. XRD证实催化剂中存在石墨烯,且石墨烯结构是在第一次热处理过程中形成的. 电化学测试表明,该催化剂在酸性和碱性介质中都具有很高的氧还原电催化活性和低H₂O₂产率,并且在碱性介质中对甲醇小分子的抗毒化性能明显优于商业Pt/C催化剂,展示出在实际燃料电池系统中的应用潜力.     

Co/N-doped carbon nanotube arrays grown on 2D MOFs-derived matrix for boosting the oxygen reduction reaction in alkaline and acidic media

The development of high-performance and cost-effective electrocatalysts towards oxygen reduction reaction(ORR) is of significant importance,but still challenging for the practical applications in related energy systems.ORR process typically suffers from sluggish kinetics,the exploration of ORR electrocatalyst thus requires elaborate design.Herein,an effective strategy is developed for growing Co/N-doped carbon nanotube arrays on 2D MOFs-derived matrix via the pyrolysis of Co/Zn metalorganic-framework(MOF) nanosheets.The Co/Zn-MOF nanosheets serve as both the self-template for the 2D carbonized framework morphology and C/N source for the in-situ growth of 1D N-doped carbon nanotubes.The constructed hie rarchical architecture effectively integrates the OD/1D Co nanoparticle/Ndoped carbon nanotube interface and 1D(nanotubes)/2D(nanosheets) junction into frameworks with highly exposed active surface,enhanced mass-transport kinetics and electrical conductivity.As a result,the designed composite exhibits superior ORR activity and durability in alkaline media as compared to commercial Pt/C.Particularly,it shows promising ORR performance with a half-wave potential of 0.78 V versus reversible hydrogen electrode and negligible activity attenuation after 5000 potential cycles in acidic electrolyte.The designed strategy can be extended to construct other MOFs-derived carbon matrixes with diverse hierarchical structures and provide an efficient avenue for searching highperformance electrocatalysts.     

MnO/N-Doped Mesoporous Carbon as Advanced Oxygen Reduction Reaction Electrocatalyst for Zinc–Air Batteries

The development of alternative electrocatalysts exhibiting high activity in the oxygen reduction reaction (ORR) is vital for the deployment of large-scale clean energy devices, such as fuel cells and zinc–air batteries. N-doped carbon materials offer a promising platform for the design and synthesis of electrocatalysts due to their high ORR activity, high surface area, and tunable porosity. In this study, materials in which MnO nanoparticles are entrapped in N-doped mesoporous carbon (MnO/NC) were developed as electrocatalysts for the ORR, and their performances were evaluated in zinc–air batteries. The obtained carbon materials had large surface area and high electrocatalytic activity toward the ORR. The carbon compounds were fabricated by using NaCl as template in a one-pot process, which significantly simplifies the procedure for preparing mesoporous carbon materials and in turn reduces the total cost. A primary zinc–air battery based on this material exhibits an open-circuit voltage of 1.49 V, which is higher than that of conventional zinc–air batteries with Pt/C (Pt/C cell) as ORR catalyst (1.41 V). The assembled zinc–air battery delivered a peak power density of 168 mW cm⁻² at a current density of about 200 mA cm⁻², which is higher than that of an equivalent Pt/C cell (151 mW cm⁻² at a current density of ca. 200 mA cm⁻²). The electrocatalytic data revealed that MnO/NC is a promising nonprecious-metal ORR catalyst for practical applications in metal–air batteries.     

聚苯胺衍生Fe-N-C催化剂在碱性电解质中对氧还原反应的催化性能

经过热解聚苯胺、碳和FeCl₃的混合物制备的Fe-N-C材料在酸性电解质中对氧还原反应表现出高的催化活性;由于材料中不存在任何贵金属, 因而被认为是一类新型非贵金属氧还原催化剂. 然而这类催化剂在碱性电解质中催化氧还原反应的性能如何尚不清楚. 本文使用旋转圆盘电极技术考察了制备的两个Fe-N-C催化剂在KOH水溶液中催化氧还原反应性能, 发现这两个催化剂表现出比无金属的N掺杂碳材料更高的活性. 与商业Pt/C催化剂相比, 它们催化氧还原反应的起始电势和半波电势分别仅低60和40 mV左右, 计时电流测试表明, 它们比Pt/C催化剂显示出更好的稳定性. 此外, 在这两个Fe-N-C催化剂上的氧还原反应主要遵循四电子途径. 本工作显示, Fe-N-C材料有望用于碱性燃料电池氧还原反应催化剂.