原位合成钴/还原氧化石墨烯纳米粒子催化氨硼烷制氢

采用简单的原位还原合成方法,利用具有温和还原性能的氨硼烷作为还原剂,在室温下一步还原氧化石墨烯和氯化钴混合溶液制备了还原氧化石墨烯负载钴纳米复合材料催化剂. 利用所制备的钴/还原氧化石墨烯催化剂催化氨硼烷水解制氢,发现钴/还原氧化石墨烯具有优异的催化性能. 相对于没有负载的钴纳米粒子以及采用硼氢化钠作为还原剂制备的钴/还原氧化石墨烯催化剂,采用氨硼烷还原制备的钴/还原氧化石墨烯催化剂表现出更加优越的催化性能. 动力学测试表明,钴/还原氧化石墨烯催化氨硼烷水解反应为零级反应,同时钴/还原氧化石墨烯催化剂催化氨硼烷水解反应的活化能为27.10 kJ·mol^-1,低于大部分已报道的其它催化剂,甚至一些贵金属催化剂的活化能. 钴/还原氧化石墨烯催化剂有着稳定的循环使用性,特别是其具有的磁性使得它能够直接从溶液中通过磁力回收,极具应用前景. 这种简单有效的合成方法有望推广到其它的金属-还原氧化石墨烯纳米复合材料体系.     

原位合成钴/还原氧化石墨烯纳米粒子催化氨硼烷制氢（英文）

采用简单的原位还原合成方法,利用具有温和还原性能的氨硼烷作为还原剂,在室温下一步还原氧化石墨烯和氯化钴混合溶液制备了还原氧化石墨烯负载钴纳米复合材料催化剂.利用所制备的钴/还原氧化石墨烯催化剂催化氨硼烷水解制氢,发现钴/还原氧化石墨烯具有优异的催化性能.相对于没有负载的钴纳米粒子以及采用硼氢化钠作为还原剂制备的钴/还原氧化石墨烯催化剂,采用氨硼烷还原制备的钴/还原氧化石墨烯催化剂表现出更加优越的催化性能.动力学测试表明,钴/还原氧化石墨烯催化氨硼烷水解反应为零级反应,同时钴/还原氧化石墨烯催化剂催化氨硼烷水解反应的活化能为27.10 kJ·mol-1,低于大部分已报道的其它催化剂,甚至一些贵金属催化剂的活化能.钴/还原氧化石墨烯催化剂有着稳定的循环使用性,特别是其具有的磁性使得它能够直接从溶液中通过磁力回收,极具应用前景.这种简单有效的合成方法有望推广到其它的金属-还原氧化石墨烯纳米复合材料体系.     

石墨烯基氧还原催化剂在金属空气电池中的应用

随着金属空气电池技术的不断发展,氧还原催化剂成为限制其动力化的最主要瓶颈之一。近几年来,石墨烯基氧还原催化剂(GORRC)由于优异的氧还原催化活性而备受关注。本文结合石墨烯基氧还原催化剂的研究现状,将其分为三类:石墨烯作氧还原催化剂载体,氮掺杂石墨烯作为氧还原催化剂,以及氮掺杂石墨烯与其他催化剂形成的复合催化体系,并对这三种石墨烯基氧还原催化剂进行了详细的综述。石墨烯作为一种优良的催化剂载体,能够显著降低活性物质负载量,提高氧还原催化剂的催化活性和长期稳定性。氮掺杂石墨烯显示了优良的氧还原催化性能。氮掺杂石墨烯与其他催化剂复合后,由于两者之间的相互作用,可得到性能更为优异的氧还原催化剂。最后,本文还对石墨烯基氧还原催化剂及其在金属空气电池中的研究前景和发展方向进行了展望,指出了将来的研究重点。     

氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能

采用两步热解法, 用尿素掺杂氧化石墨烯(GO)得到N掺杂的还原氧化石墨烯(N-RGO), 通过控制反应温度, 制备了具有不同电催化活性的N掺杂的还原氧化石墨烯. 透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)结果显示, 制得的氮掺杂石墨烯(nG)表面褶皱和重叠增加. X射线光电子能谱(XPS)证明, 氮元素以吡啶N、 吡咯N和石墨化的N 3种形式掺杂在石墨烯中, 最高摩尔分数为6.6%. 通过循环伏安(CV)和旋转圆盘电极(RDE)测试了nG的电化学性能, 结果表明, 在酸性电解质中对氧还原(ORR)有较高的催化活性, 起始电位在0.1 V左右, 电催化还原氧气时主要为四电子反应, 且相对商用的Pt/C催化剂有更好的电化学稳定性, 其中第一步热解温度为200℃制得的nG催化性能最好.     

微波溶剂热法制备掺氮石墨烯用于碱性氧还原反应

采用微波处理氧化石墨烯(GO)与乙二醇(EG)、乙二胺(ED)混合液的方法制备氮掺杂石墨烯(NG),使用旋转圆盘电极对NG催化氧还原在碱性溶液中反应进行研究,并考察了不同微波辐射时间、ED与EG之比对反应性能的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)研究了NG催化剂的结构与性质。相比于未掺氮的石墨烯样品,NG表现出更正的起始电位和接近四电子的转移过程。NG中掺杂氮原子的键合方式通过XPS进行表征,结果表明起始电位的高低取决于石墨氮含量。此外,所有表征结果表明总氮含量与氧还原反应性能没有直接关系。     

氮掺杂还原氧化石墨烯负载铂催化剂的制备及甲醇电氧化性能

采用高温热解聚苯胺修饰的氧化石墨烯(PANI-GO),得到了氮掺杂的还原氧化石墨烯碳材料(N-RGO),以其负载Pt制备了Pt/N-RGO纳米结构电催化剂.采用透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)谱及拉曼光谱等技术对N-RGO和Pt/N-RGO的形貌及结构进行了表征,用循环伏安、计时电流等电化学技术研究了Pt/N-RGO电极催化剂对CO溶出反应和甲醇电氧化反应的催化性能.结果表明:高温热解PANIGO可同时实现GO的还原及其氮掺杂的过程,氮掺杂引起还原氧化石墨烯碳材料表面缺陷结构和导电性的增加;与相应的未掺杂氮样品Pt/RGO相比较,Pt/N-RGO样品上Pt颗粒的分散更均匀,显示出更强的抗CO毒化能力和更高的甲醇电氧化催化活性及稳定性.     

氮掺杂多孔石墨烯对硝基和偶氮化合物的催化还原性能——化学相关专业综合实验的设计与实践

针对溶有常见含硝基和偶氮化合物废水处理的问题，设计了无金属碳基催化剂制备及其对此类化合物催化还原的综合实验。实验以氧化石墨烯为原料，经水热法合成碳基催化剂氮掺杂多孔石墨烯或氮掺杂石墨烯，通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、比表面分析仪、X射线光电子能谱等对其结构、形貌和元素组成等进行表征，并研究其对硼氢化钠还原硝基和偶氮化合物的性能。该实验涉及碳基催化剂制备、表征和废水处理等多个实验环节，涵盖了物理化学、材料化学和环境化学等多个学科领域。通过该实验可以培养学生的科研思维，提高学生的科研动手能力和用化学知识解决实际问题的能力。     

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.     

通过铁掺杂和造孔提高氮掺杂石墨烯/碳纳米管复合物电催化氧还原性能的研究（英文）

氧还原反应催化剂的性能直接影响着能源转换和存储器件如燃料电池和金属-空气电池的性能. 开发低成本、高性能的非铂族金属氧还原催化剂对于这类器件的实际应用和商业化十分重要,因此备受关注. 氮掺杂的石墨烯/碳纳米管复合物同时具备碳纳米管的良好导电性能和有利于传质的三维网络结构优点,以及氮掺杂石墨烯的高活性优点,因此有望发展为这类可替代铂族催化剂的氧还原电催化剂之一,但目前其催化性能还需进一步提高. 本文研究发现通过在氮掺杂石墨烯/碳纳米管复合物的过程中引入铁元素可以有效提高催化剂的氧还原活性,并且发现通过在热处理和氮掺杂过程中加入二氧化硅纳米颗粒及随后除去二氧化硅,可以在氮掺杂的石墨烯/碳纳米管复合物材料中有效地形成多孔结构. 这种多孔结构的形成不仅可以在复合物中引入更多的高活性催化位点,而且有利于暴露更多的催化活性位并促进氧还原反应中的传质过程. 结合碳纳米管、石墨烯和多孔结构的三者优点,所制备的多孔氮掺杂碳材料表现出优异的电催化氧还原性能. 进一步的实验表明,这类材料还表现出优异的抗甲醇中毒能力和良好的稳定性,因此在性能改进后有望用于燃料电池等能量转换与存储器件.     

钴/氮掺杂碳纳米管/石墨烯复合材料的构筑及氧还原催化性能

以石墨烯/N-甲基吡咯烷酮(NMP)分散体和Co(NO_3)_2混合物为前驱体,经过高温和化学掺杂处理,制备了钴/氮掺杂的碳纳米管/石墨烯复合材料(Co/N-CNT/Gr-X,X代表煅烧温度),并对其进行物相表征和电化学性能测试.结果表明,在钴盐催化下,石墨烯分散体中的有机溶剂NMP成为碳源,在石墨烯表面形成高密度的碳纳米管,形成了三维多级结构;同时,钴离子部分氧化成为氧化物,部分与N形成Co—N活性位点,其协同作用极大改善了催化剂的氧还原性能.其中Co/N-CNT/Gr-800的还原峰电位为-0.137 V(vs.SCE),极限电流密度为4.24 m A/cm~2,电子转移数为3.34,表现出优异的耐甲醇中毒能力.     

高效的尖晶石铁钴氧/氮掺杂有序介孔碳催化剂应用于可充电锌-空气电池

以电催化为核心的新能源储存和转换技术为缓解能源与环境问题提供了有效手段.可充电锌空气电池因其理论能量密度(1086 Wh·kg–1)高、成本效益显著、安全系数高、环境友好及放电平稳等优点被认为是一种具有前景的能源存储/转换装置,有望在新能源汽车、便携式电源等领域广泛应用.氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)是锌-空气电池中的核心反应,目前,虽然贵金属催化剂对上述反应表现出一定的电催化活性,但由于其稀缺性、高昂价格和低稳定性因素严重阻碍了它们在锌-空气电池中的广泛应用.而非贵金属催化剂所面临的瓶颈在于ORR/OER反应动力学缓慢,导致其在实际应用过程中存在电压效率低和催化剂腐蚀等问题.因此,为了推进锌-空气电池商业化进程,研制低成本、高效、稳定的非贵金属催化剂迫在眉睫.本文通过一步法将双金属前驱体嵌入氮掺杂有序介孔碳(NOMC)中,合成了具有尖晶石型铁钴氧化物的高性能非贵金属电催化剂(FexCo/NOMC,x代表铁钴的摩尔比).实验结果表明,在x=0.5时,所制备的催化剂具有最佳的催化活性,与商业贵金属催化剂相比,该催化剂展现更优的电催化活性和稳定性.电化学测试结果表明,其ORR的半波电位为0.89 V(vs.RHE),当OER电流密度为10 mA·cm–1时,过电势仅为0.31 V,且电流-时间曲线测试结果表明催化剂表现出较好的稳定性.通过X射线光电子能谱(XPS)、穆斯堡尔谱(M?ssbauer)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和拉曼光谱(Raman)等表征手段对电催化剂的物化性质进行表征,结果表明该材料优异的氧电催化性能归因于双金属氧化物的电子调控作用、NOMC的介孔结构、高导电性和高比表面积,其ORR与OER的催化活性位点分别是氮活化的碳(N-C)和双金属氧化物.以优化的Fe0.5Co/NOMC为正极组装可充电锌-空气电池,该电池在空气环境下展现出优良的充放电性能,其在电流密度为100 mA·cm–2条件下操作时能量密度达到820 Wh·kg–1,在1.0 V时功率密度达到153 mW·cm–2,它还表现出较好的稳定性,经过144 h的循环实验,活性没有明显下降.本文不仅制备了一种有前景的尖晶石型氧化物碳基氧电催化材料,还为高效氧电催化剂的合理开发与构筑提供了一条新的思路.     

Two-dimensional Nitrogen-doped Mesoporous Carbon/Graphene Nanocomposites from the Self-assembly of Block Copolymer Micelles in Solution

The self-assembly of block copolymer in solution has proven to be an effective strategy for building up a wide range of nanomaterials with diverse structures and applications. This paper reports a facile self-assembly approach towards two-dimensional(2D) sandwich-like mesoporous nitrogen-doped carbon/reduced graphene oxide nanocomposites(denoted as m NC/r GO) with well-defined large mesopores. The strategy involves the synergistic self-assembly of polystyrene-block-poly(ethylene oxide)(PS-b-PEO) spherical micelles, m-phenylenediamine(m PD) monomers and GO in solution and the subsequent carbonization at 900 ℃. The resultant m NC/r GO nanosheets have an average pore size of 19 nm, a high specific surface of 812 m~2·g~(-1) and a nitrogen content of 2.2 wt%. As an oxygen reduction reaction(ORR) catalyst, the unique structural features render the metal-free nanosheets excellent electrocatalytic performance. In a 0.1 mol·L~(-1) KOH alkaline medium, m NC/r GO exhibits a four-electron transfer pathway with a high half-wave-potential(E_(1/2)) of +0.77 V versus reversible hydrogen electrode(RHE) and a limiting current density(JL) of 5.2 mA·cm~(-2), which are well comparable with those of the commercial Pt/C catalysts.     

Metal Phthalocyanine‐Porphyrin‐based Conjugated Microporous Polymer‐derived Bifunctional Electrocatalysts for Zn‐Air Batteries

Conjugated microporous polymers (CMPs) as emerging porous materials with diverse structures and tunable building‐units have attracted much attention in the electrochemical field. Herein, we designed phthalocyanine‐porphyrin‐based conjugated microporous polymers as precursors for fabrication of Co, Fe, N tri‐doped graphene composites towards oxygen reduction and evolution reaction (ORR/OER). As expected, the elements cobalt and iron are well dispersed in graphene carbon and interact with the nitrogen sites, thereby providing extra electrocatalytic active sites and enhancing its overall conductivity. Benefiting from its unique design and structure, the obtained catalyst affords a superior bifunctional catalytic activity with a positive onset potential of 0.957 V for ORR, and a low overpotential of 0.36 V for OER. More attractively, the CoFeNG is employed as an air cathode catalyst in Zn‐air batteries, showing a maximum current density of 215 mA cm^?2 and good cycle stability for 20000 s. The rational design of phthalocyanine‐porphyrin‐based derivatives provides a feasible route for the construction of high‐performance ORR/OER catalysts.     

NiSe2-CoSe2 with a Hybrid Nanorods and Nanoparticles Structure for Efficient Oxygen Evolution Reaction

Hetero-structure induced high performance catalyst for oxygen evolution reaction(OER)in the water splitting reaction has received increased attention.Herein,we demonstrated a novel catalyst system of NiSe₂-CoSe₂ consisting of nanorods and nanoparticles for the efficient OER in the alkaline electrolyte.This catalyst system can be easily fabricated via a low-temperature selenization of the solvothermal synthesized NiCo(OH)x precursor and the unique morphology of hybrid nanorods and nanoparticles was found by the electron microscopy analysis.The high valence state of the metal species was indicated by X-ray photoelectron spectroscopy study and a strong electronic effect was found in the NiSe₂-CoSe₂ catalyst system compared to their counterparts.As a result,NiSe₂-CoSe₂ exhibited high catalytic performance with a low overpotential of 250 mV to reach 10 mA·cm^-2 for OER in the alkaline solution.Furthermore,high catalytic stability and catalytic kinetics were also observed.The superior performance can be attributed to the high valence states of Ni and Co and their strong synergetic coupling effect between the nanorods and nanoparticles,which could accelerate the charge transfer and offer abundant electrocatalytic active sites.The current work offers an efficient hetero-structure catalyst system for OER,and the results are helpful for the catalysis understanding.     

高分散钴氮共掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂

过渡金属氮掺杂碳基催化剂已成为替代铂基氧还原反应(ORR)电催化剂的理想选择。本文通过静电纺丝技术制备了高比表面、高度分散的钴原子配位氮掺杂的碳纳米纤维催化剂(Co-N/C)。X射线衍射(XRD)和高分辨率透射电镜(HRTEM)结果证实Co元素高度分散于制备的Co-N/C催化剂中。X射线光电子能谱结果表明N元素主要以吡啶N和石墨N形式存在。该Co-N/C催化剂对ORR反应呈现出较高的电催化活性,其氧还原起始和半波电位分别为0.92 V和0.80 V(相对于标准氢电极),接近于商业化Pt/C催化剂的性能。以制备的Co-N/C催化剂作为阴极,25℃下锌空气燃料电池的开路电位1.54 V、最大功率密度达到了190 m V·cm~(-2)表明该催化剂具有良好的应用前景。     

Facile single-step preparation of Pt/N-graphene catalysts with improved methanol electrooxidation activity

In this work, we describe a facile single-step approach for the simultaneous reduction of graphene oxide to graphene, functional doping of graphene with nitrogen, and loading of the doped graphene with well-dispersed platinum (Pt) nanoparticles using a solvent mixture of ethylene glycol and N-methyl-2-pyrrolidone. The as-prepared Pt/nitrogen-doped graphene (N-graphene) catalysts are characterized by X-ray powder diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy while the electrocatalytic methanol oxidation properties of the catalysts are evaluated by cyclic voltammetry and chronoamperometry. Compared with an updoped Pt/graphene control catalyst, the Pt/N-graphene catalyst shows a narrower particle size distribution and improved catalytic performance. Considering the facile, green and effective single-step synthetic process for the Pt/N-graphene catalyst, the results are promising for the potential application of these materials in emerging fuel cell technologies.     

3D Nitrogen-Doped Graphene Encapsulated Metallic Nickel–Iron Alloy Nanoparticles for Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalysis

It is extremely desirable to explore high-efficient, affordable and robust oxygen electrocatalysts toward rechargeable Zn–air batteries (ZABs). A 3D porous nitrogen-doped graphene encapsulated metallic Ni₃Fe alloy nanoparticles aerogel (Ni₃Fe-GA₁) was constructed through a facile hydrothermal assembly and calcination process. Benefiting from 3D porous configuration with great accessibility, high electrical conductivity, abundant active sites, optimal nitrogen content and strong electronic interactions at the Ni₃Fe/N-doped graphene heterointerface, the obtained aerogel showed outstanding catalytic performance toward the oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR). Specifically, it exhibited an overpotential of 239 mV to attain 10 mA cm⁻² for OER, simultaneously providing a positive onset potential of 0.93 V within a half-wave potential of 0.8 V for ORR. Accordingly, when employed in the aqueous ZABs, Ni₃Fe-GA₁ achieved higher power density and superior reversibility than Pt/C−IrO₂ catalyst, making it a potential candidate for rechargeable ZABs.     

一步热解核黄素制备高性能氧还原反应电催化剂

质子交换膜燃料电池具有零污染、能量密度高、操作温度低和超静低音等优点,因而广泛应用于新能源汽车动力电源.然而质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应(ORR)过程缓慢且复杂,因此需要大量的高性能ORR电催化剂.商品铂基催化剂是目前最为广泛使用的ORR催化剂,然而其高昂的价格阻碍了燃料电池汽车的商业化进程.因此,近年来人们致力于研发高性能的非贵金属ORR催化剂,并成功获得了具有高ORR活性及优异稳定性的催化剂.然而开发贵金属替代催化剂还存在制备过程较为复杂、单体有毒等缺点.核黄素具有成本低廉、无毒、氮含量高等优点,本文将其直接作为碳源和氮源,以无水氯化铁为铁前驱体,通过简单的一步热解法制备了高性能的Fe-N-C催化剂.表征结果表明,合成的催化剂表面由于氮的掺杂导致石墨烯存在较多的缺陷,其比表面积为301 m2 g-1且孔径分布主要位于45 nm处;催化剂由很薄、卷曲的石墨烯片层和一些颗粒组成,其中的碳材料高度石墨化且存在Fe2O3晶体.结合X射线光电子能谱和催化剂的ORR活性,推导出石墨化氮为ORR的主要活性位,铁在ORR反应中也起着重要作用.在氧气饱和的0.1 mol L-1 KOH溶液中,Fe-N-C催化剂的ORR活性达到4.16 mA cm-2,与商品Pt/C催化剂相当(4.46 mA cm-2).采用计时电流法在0.66 V(相对于RHE电位)下运行3 h后,Fe-N-C催化剂电流仅下降了3%,而Pt/C催化剂下降了40%,表明Fe-N-C催化剂与Pt/C催化剂具有相近的ORR活性,但稳定性比Pt/C催化剂更出色.测试结果表明,Fe-N-C催化剂的抗甲醇毒化性能远优于Pt/C催化剂.在酸性介质中,Fe-N-C催化剂的ORR活性比Pt/C催化剂低,但稳定性更高.总之,该Fe-N-C催化剂在碱性介质中有较高的活性和稳定性,在酸性介质中有较高的稳定性.因此,我们采用廉价、无毒的核黄素作为碳氮源,通过简单的一步热解法制备出的Fe-N-C催化剂能较好地满足燃料电池ORR催化剂高性能和低成本的要求,具有很好的应用前景.     

Synthesis of a Hierarchically Porous C/Co3O4 Nanostructure with Boron Doping for Oxygen Evolution Reaction

Fabricating a low‐cost and highly efficient electrocatalyst is of importance for the development of renewable energy devices. In this work, we have synthesized an ultrafine cobalt oxide nanocatalyst (5–10 nm) doped with boron (BC/Co₃O₄) by using a metal–organic framework as a precursor, which exhibits an excellent catalytic activity for oxygen evolution reaction (OER). Owing to the improvement of accessible active sites by boron doping, the synthesized catalyst can reach a current density of 10 mA cm^?2 at 1.54 V with a low overpotential of 310 mV, superior than those of commercial RuO₂ and N‐doped C/Co₃O₄. This work provides a facile way to develop highly efficient catalysts for electrochemical reactions.     

Electrodeposited Amorphous Tungsten‐doped Cobalt Oxide as an Efficient Catalyst for the Oxygen Evolution Reaction

Thin film of amorphous tungsten‐doped cobalt oxide (W:CoO) was successfully grown on a conducting electrode via an electrochemical oxidation process employing a [Co(WS₄)₂]^2? deposition bath. The W:CoO catalyst displays an attractive performance for the oxygen evolution reaction in an alkaline solution. In an NaOH solution of pH 13, W:CoO operates with a moderate onset overpotential of 230 mV and requires 320 mV overpotential to generate a catalytic current density of 10 mA cm^?2. A low Tafel slope of 45 mV decade^?1 was determined, indicating a rapid O₂‐evolving kinetics. The as‐prepared W:CoO belongs to the best cobalt oxide‐based catalysts ever reported for the oxygen evolution (OER) reaction.