氮掺杂石墨烯的制备及其对氧还原反应的电催化性能

以氧化石墨烯(GO)为原料、丙酮肟(DMKO)为还原剂和氮掺杂剂,采用化学还原法制备了不同氮掺杂含量的石墨烯(NG).利用场发射透射电子显微镜(FETEM)、紫外-可见(UV-Vis)光谱、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)、zeta电位和纳米粒度分析、循环伏安(CV)和旋转圆盘电极(RDE)等手段对材料的形貌、结构、成分和电化学性质进行表征.结果显示:DMKO能有效地还原GO,且通过调节GO与DMKO的质量比,可以得到不同还原效果的NG,其氮含量范围为4.40%-5.89%(原子分数);GO与DMKO的质量比为1:0.7时制备的氮掺杂石墨烯(NG-1)在O2饱和0.1 mol·L-1KOH溶液中对氧还原反应(ORR)的电催化性能最佳,其ORR峰电流为0.93 mA·cm-2,电子转移数为3.6,这归因于其较高含量的吡啶-N增加了材料的ORR活性位点.此外,石墨化-N由于其较高的电子导电性倾向于产生较高的氧还原峰电流,而吡啶-N较低的超电势倾向于产生较正的氧还原峰电位.与商用Pt/C相比,该材料展现出了优异的抗CH3OH"跨界效应"的特性.     

静电自组装方法合成的具有多孔三维网络结构的Fe3O4/石墨烯复合材料作为高性能锂离子电池负极材料

采用静电自组装方法,分两步合成Fe（OH）₃/GO前驱体（GO：氧化石墨烯）,再通过水热反应和600 ℃高纯氮气气氛下煅烧,获得了Fe₃O₄/石墨烯复合材料. 通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、拉曼（Raman）光谱等多种分析,发现该复合材料具有三维多孔石墨烯网络结构. 把合成的这种Fe₃O₄/石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料,电化学测试结果表明其具有优良的电化学性能：首次放电容量为1390 mAh·g^-1,50次循环后容量为819 mAh·g^-1. 通过对比实验表明,三维石墨烯网络结构的形成对复合材料的电化学循环稳定性起着关键作用.     

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。     

石墨烯/硫复合正极材料的一步水热法制备与电化学性能

将硫代硫酸钠（Na₂S₂O₃）与氧化石墨烯（GO）的混合溶液,在酸性条件下经过一步水热反应制备还原氧化石墨烯/硫（RGO/S）复合正极材料. 实验探索了水热温度、反应时间、碳硫质量比例对材料的影响. 通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和恒电流充放电对材料进行分析. 结果表明在180 ℃下,碳硫质量比为3：7时,水热12 h得到的RGO/S复合材料具有优异的循环性能,首次放电比容量为931 mAh·g^-1,50次循环之后其比容量还保持在828.16 mAh·g^-1;RGO/S复合材料的充放电库仑效率在95%以上;同时RGO/S复合材料的倍率性能相比于单质硫有很大提高. 一步水热法能够使硫分子均匀分布在石墨烯片层结构中,同时加强了石墨烯表面基团对硫分子的固定作用.     

氮掺杂石墨烯负载锰催化分解高湿臭氧性能

以三聚氰胺为氮源,通过热退火氧化石墨烯（GO）合成氮掺杂石墨烯（NG）,使用浸渍沉淀法制备NG负载锰（Mn/NG）。在相对湿度（RH）为80%,臭氧初始浓度为85.7 mg·m^-3条件下,反应24 h后,臭氧的分解率依旧保持在80%以上。在低RH环境下,其催化活性又能恢复到初始状态。氮掺杂不但为催化剂制造了结构缺陷,同时氮原子的孤对电子增大了氧空位电子密度,降低了水分子的吸附能,提高了催化剂的抗湿性能。     

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。     

氮掺杂介孔碳的制备及其电化学超电容性能

通过直接炭化沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIF-8）纳米多面体,成功制备了氮掺杂介孔碳（NMCs）. 采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）及比表面和孔隙度分析仪对其微观形貌和结构进行了表征,并对NMCs的电化学超电容性能进行了测试. 结果表明：NMCs具有规整的形貌、介孔纳米结构和较大比表面积（2737 m²·g^-1）;由于氮元素掺杂所赋予的优异的表面润湿性和赝电容性能,且介孔结构有利于电解质到达电极活性材料表面,NMCs表现出优异的电化学超电容性能,在1 A·g^-1的电流密度下,1.0 mol·L^-1H₂SO₄溶液中的比电容值为307 F·g^-1,并具有良好的功率特性;此外,在10A·g^-1的大电流密度下充放电循环5000次后,NMCs的比电容值保持率为96.9%.     

Fe-N/C-TsOH催化剂应用碱性介质催化氧还原的电催化活性

通过溶剂分散热处理方法制备了一种吡咯和对甲苯磺酸(TsOH)共同修饰的碳载非贵金属复合催化剂(Fe-N/C-TsOH),并采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂的形貌和组成成分进行表征. 借助循环伏安法(CV)和旋转圆盘技术研究了TsOH对催化剂在0.1 mol·L^-1 KOH介质中催化氧还原性能的影响. 结果表明：TsOH的存在对催化剂催化氧还原反应(ORR)的活性影响很大. 以其制备的气体扩散电极在碱性电解质溶液中催化氧还原过程时转移的电子数为3.899,远比不含TsOH修饰的催化剂催化氧还原的电子数(3.098)高. 此外,研究发现600 ℃热处理过的Fe-N/C-TsOH催化剂表现出最佳的氧还原催化性能. 相比未经热处理过的Fe-N/C-TsOH催化剂,起峰电位和-1.5 mA·cm^-2电流密度对应的电压分别向正方向移动30 和170 mV. XPS研究结果表明吡咯氮是催化剂主要活性中心,提供氧还原活性位,而TsOH加入形成的C―S_n―C和―SO_n―有利于催化剂催化氧还原活性的提高,从而使该催化剂对氧还原表现出很好的电催化性能和选择性.     

无模板剂合成用于超级电容器的二氧化锰/石墨烯复合材料

以尿素、四水合氯化锰和氧化石墨烯为原料,采用水热法并通过热分解制备了一种具有石墨烯包覆结构的石墨烯-二氧化锰复合材料,利用扫描电子显微镜、X射线衍射、比表面积（BET）、拉曼光谱和热失重等技术对其形貌、晶体结构及表面结构进行了表征;在三电极条件下利用循环伏安法、恒流充放电法和交流阻抗法测试了材料的电化学性能,并考察了不同石墨烯含量对材料比电容的影响. 结果表明,在不添加模板剂的条件下制备的复合材料中二氧化锰是具有介孔结构的α-MnO₂,当复合15%（质量分数）的石墨烯后材料的比表面积从109 m²·g^-1提高到168 m²·g^-1. 复合材料具有更好的电化学性能,在0.2 A·g^-1电流密度下复合材料的比电容达到最大值（454 F·g^-1）,远高于纯二氧化锰的值（294 F·g^-1）. 在2 A·g^-1的电流密度下恒流充放电2000 次后复合材料的比电容保持率为92%.     

以氨基化的聚苯乙烯微球为模板制备电致变色性能优良的单层有序多孔PBTB薄膜

以氯化钨和氧化石墨烯(GO)为原料,乙醇为溶剂,一步合成了WO₃纳米棒/石墨烯纳米复合材料(WO₃/RGO). 将WO₃/RGO纳米复合材料用于锂离子电池负极,并通过充放电测试、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)技术综合考察了该材料的储锂性能. 结果显示,在0.1C (1C=638 mA·g^-1)倍率下,复合物的首次放电比容量达到761.4 mAh·g^-1,100次循环后可逆容量仍保持在635 mAh·g^-1,保持率为83.4%. 即使在5C倍率下容量仍高达460 mAh·g^-1. 由此说明,WO₃/RGO纳米复合物具有优异的循环稳定性及倍率性能,可望用于高性能锂离子电池.     

快速微波法制备掺氮石墨烯用于碱性氧还原电催化剂

采用微波法在氨气气氛下快速加热石墨烯（G）制备了含氮量在4.05 wt%-5.47 wt%的掺氮石墨烯（NG）. 将上述的掺氮石墨烯用作碱性电解质条件下的氧还原电催化剂,起始还原电势为0.17 V（vs SHE）,接近商用碳载铂催化剂的0.21 V（vs SHE）. 采用透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱研究了掺氮石墨烯的形貌、结构和掺杂氮原子的键合方式. 结果发现,掺氮石墨烯的氧还原起始电位随着石墨氮原子含量的提高而上升,说明石墨类型的氮含量是影响其氧还原催化活性的关键因素. 实验结果表明,微波法快速制备的掺氮石墨烯在碱性条件下表现出较高的氧还原催化活性,具有作为碱性燃料电池阴极催化剂的潜力.     

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。     

Preparation of Co3O4/graphene Oxide Composites by a Depositing‐decompostion Method and its Application for Electrochemical Determination of Glucose

Co₃O₄/graphene oxide (GO) nanocomposites were successfully prepared by a depositing‐decomposition method. The as‐prepared samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectroscopy. Cyclic voltammetry (CV) was used to evaluate the electrochemical response of a glass carbon electrode (GCE) modified with Co₃O₄/GO nanocomposite towards glucose. Compared with the Co₃O₄/GCE, the Co₃O₄/GO/GCE exihibits higher electrocatalytic activity due to the synergistic effects of electrocatalytic ability of Co₃O₄ and large surface of GO. The Co₃O₄/GO/GCE was applied for glucose detection in alkaline solution. The linear current response range of glucose on Co₃O₄/GO/GCE covered the range from 9 × 10^?5 to 6.03 × 10^?3 M, with a detection limit of 5.2 × 10^?7 M (S/N = 3).     

Nitrogen-doped graphene supporting PtSn nanoparticles with a tunable microstructure to enhance the activity and stability for ethanol oxidation

In this work, a series of nitrogen-doped graphenes (NGs) were prepared by deriving from pyrolysis of graphite oxide (GO) with urea at different temperatures and high-dispersed PtSn nanoparticles with tunable size were then deposited onto nitrogen-doped graphene (PtSn/NG) by an easy-controlled template-free method. The PtSn/NG and undoped graphene (PtSn/G) were carried out as anode catalysts for the electrooxidation of ethanol. The microstructure and morphology of the synthesized catalysts were characterized by transmission electron microscopy, X-ray powder diffraction, and X-ray photoelectron spectroscopy. The electrocatalytic performance toward ethanol oxidation was evaluated by cyclic voltammetry and chronoamperometry. It is found that the pyrolysis temperature is an important factor which influenced the contents of nitrogen and functional groups of nitrogen. And then, the functional groups of nitrogen affect the distribution, size, and contents of PtSn nanoparticles. The as-obtained optimal PtSn/NG-600 sample with narrower size distribution and high content of PtSn exhibits higher electrocatalytic activity and stability compared with the other samples, implying the potential application for ethanol fuel cells.     

Electrochemical and oxygen reduction properties of pristine and nitrogen-doped few layered graphene nanoflakes (FLGs)

Vertically aligned few layered graphene (FLGs) nanoflakes were synthesized by microwave plasma deposition for various time durations ranging from 30 to 600 s to yield graphene films of varying morphology, microstructure and areal/edge density. Their intrinsic electrochemical properties were explored using Fe(CN)₆ ^3?/4? and Ru(NH₃)₆ ^3+/2+ redox species. All the FLG electrodes demonstrate fast electron transfer kinetics with near ideal ΔEp values of 60–65 mV. Using a relationship between electron transfer rate and edge plane density, an estimation of the edge plane density was carried out which revealed a moderation of edge plane density with increase in growth time. The pristine FLGs also possess excellent electrocatalytic activity towards oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline solutions. This ORR activity can be further enhanced by exposing the pristine FLGs to nitrogen electron cyclotron resonance plasma. The metal free N-doped FLGs exhibit much higher electrocatalytic activity towards ORR than pristine FLGs with higher durability and selectivity than Pt-based catalysts. The excellent electrochemical performance of N-doped FLGs is explained in terms of enhanced edge plane exposure, high content of pyridinic nitrogen and an increase in the electronic density of states.     

水热合成二硫化钨/石墨烯复合材料及其氧还原性能

以六氯化钨、硫代乙酰胺、氧化石墨烯为原料,采用一步水热法合成了二维的二硫化钨/石墨烯(WS_2/RGO)复合材料。水热合成的WS_2/RGO具有薄层的二维结构,且由于石墨烯的存在,WS_2以较少的层数形成薄片状生长在石墨烯的表面。尝试将这种非Pt类材料用于电催化氧化原反应,测试结果表明,WS_2在碱性条件下氧还原活性非常低,但是复合RGO形成WS_2/RGO复合材料后,电催化氧化原性能有了极大的提高,其起始电位为-0.17 V(vs SCE),转移电子数为3.7,极限电流密度为2.5 m A·cm-2,同时其具有较好的抗甲醇性能和循环稳定性。这是因为WS_2/RGO复合材料的二维结构具有更高的电子传输速率,同时硫化钨和石墨烯可以发挥协同催化作用。这种新型的二硫化钨/石墨烯(WS_2/RGO)复合材料作为非贵金属催化剂表现出良好的氧还原性能,在燃料电池上具有较好的应用前景。     

水热合成二硫化钨/石墨烯复合材料及其氧还原性能

以六氯化钨、硫代乙酰胺、氧化石墨烯为原料,采用一步水热法合成了二维的二硫化钨/石墨烯(WS₂/RGO)复合材料。水热合成的WS₂/RGO具有薄层的二维结构,且由于石墨烯的存在,WS₂以较少的层数形成薄片状生长在石墨烯的表面。尝试将这种非Pt类材料用于电催化氧化原反应,测试结果表明,WS₂在碱性条件下氧还原活性非常低,但是复合RGO形成WS₂/RGO复合材料后,电催化氧化原性能有了极大的提高,其起始电位为-0.17 V(vs SCE),转移电子数为3.7,极限电流密度为2.5 mA·cm^-2,同时其具有较好的抗甲醇性能和循环稳定性。这是因为WS₂/RGO复合材料的二维结构具有更高的电子传输速率,同时硫化钨和石墨烯可以发挥协同催化作用。这种新型的二硫化钨/石墨烯(WS₂/RGO)复合材料作为非贵金属催化剂表现出良好的氧还原性能,在燃料电池上具有较好的应用前景。