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—N_X活性位点的数量。Fe/Ce-NCNTs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。     

原始溶液中Ni、Co质量比对Ni-Co-S-O/NF催化剂在碱性水电解中析氧性能的影响

本文中主要研究了原始溶液中Ni、Co质量比(w_Ni∶w_Co)对Ni-Co-S-O复合材料催化剂结构及性能的影响。采用水热法在泡沫镍(NF)基底上制备出了三维分层花瓣状纳米结构的Ni-Co-S-O复合材料催化剂。当原始溶液中w_Ni∶w_Co=1∶2时,所制备的Ni-Co-S-O/NF(1∶2)催化剂具有更大的电化学活性面积(ECSA),在碱性水电解析氧过程中具有最好的电催化性能。在1 mol·L^-1KOH碱性溶液中,Ni-Co-S-O/NF(1∶2)仅需61和313 mV的过电位,可分别获得10和100 mA·cm^-2的电流密度,并且其Tafel斜率为155 mV·dec^-1。Ni-Co-S-O/NF(1∶2)催化剂在碱性条件下100 mA·cm^-2的恒定高电流密度下运行24 h后仍能保持片状结构,表现出良好的稳定性。     

Co金属有机骨架模板制备NiCo水滑石/泡沫镍复合材料及电容性能

通过两步法先在泡沫镍(nickel foam,NF)上原位生长Co金属有机骨架(Co metal-organic framework,Co-MOF)纳米片阵列,再浸入不同浓度Ni²⁺离子溶液刻蚀Co-MOF纳米片,在NF表面得到NiCo水滑石(NiCo layered double hydroxide,NiCo-LDH)。NiCo-LDH/NF继承了Co-MOF纳米片结构形成一级纳米片阵列,并在一级纳米片表面形成次级纳米片褶皱。在2 mmol Ni(NO₃)₂·6H₂O溶液中刻蚀得到的NiCo-LDH/NF表现出高容量、高倍率性能,在电流密度为5 mA·cm^-2时比电容为7 764.5 mF·cm^-2,电流密度为20 mA·cm^-2时比电容为6 098.2 mF·cm^-2,容量保持率为78.5%,在20 A·g^-1电流密度下经过5 000次长循环后,容量保持率为85.9%。与活性炭组装的混合...     

水溶液法原位构建ZnO亲锂层稳定锂-石榴石电解质界面

固态电池以其高安全性和高能量密度而备受关注。石榴石型固体电解质(LLZO)由于具有较高的离子导电性和对锂金属的稳定性,在固态电池中具有应用前景,但陶瓷与锂金属较差的界面接触会导致高的界面阻抗和可能形成的枝晶穿透。我们利用LLZO表层独特的H⁺/Li⁺交换反应,提出了一种简便有效的金属盐类水溶液诱发策略,在电解质表面原位构建ZnO亲锂层,界面处LiZn合金化实现紧密连续的接触。引入改性层后,界面阻抗可显著降低至约10Ω·cm²,对称电池能够在0.1mA·cm^-2的电流密度下实现长达1000h的长循环稳定性。匹配正极LiFePO₄(LFP)或LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂(NCM523)的准固态电池在室温下能够稳定循环100次以上。     

CoFeOx/MoO2准平行纳米阵列电极的析氢性能

利用CoFe层状双金属氢氧化物(CoFe LDH)准平行纳米片阵列作为载体前驱体,通过原位负载及煅烧方式,实现了含有氧空位的MoO₂纳米颗粒在纳米片阵列表面的生长。电化学研究结果表明,所得CoFeO_x/MoO₂纳米阵列电极具有高析氢反应(HER)催化活性。该电极在10和1 000 mA·cm^-2时的HER过电位分别为40和217 mV。在50 mA·cm^-2的电流密度下,该电极可以稳定运行125 h。     

石榴石固体电解质Li3BO3界面改性研究

石榴石固体电解质由于其高的离子电导率,对锂金属稳定等优点成为了下一代高性能锂电池的重要研究方向之一。但锂金属负极界面浸润性与锂枝晶问题限制了其应用。本文通过简单的液相沉积结合高温烧结的方法,在石榴石固体电解质片表面构建了一层稳定的硼酸三锂(Li₃BO₃)修饰层。研究表明,Li₃BO₃修饰层可以有效改善石榴石固体电解质与锂金属负极界面接触,促进锂的均匀沉积/溶出,从而抑制锂枝晶生长,提高界面稳定性。Li₃BO₃修饰后石榴石电解质片与锂金属之间紧密结合,Li/石榴石界面阻抗由修饰前的1780 Ω·cm²降低至58 Ω·cm²。得益于界面接触的改善,Li₃BO₃修饰后的LLZTO电解质组装的对称电池可以在0.1 m·cm^-2的电流密度下稳定工作超过700 h。而未修饰的对称电池在0.05 mA·cm^-2的电流密度下短时间工作即出现微短路现象。     

ZIF-8基复合材料高效、稳定电催化还原CO2

电催化CO₂还原反应(eCO₂RR)受到催化剂本征活性以及传质的限制,导致材料的催化活性低、反应起始电位高等问题。我们以类沸石锌盐咪唑骨架(ZIF-8)材料为研究对象,探究了不同粒径ZIF-8材料的eCO₂RR性能。优选粒径为50 nm的ZIF-8材料,进一步引入碳纳米管(CNT)作为其导电基底材料,通过原位生长,构建了复合材料ZIF-8-50@CNT的多级孔结构和疏水界面。eCO₂RR实验结果表明,CNT的引入提高了催化剂的导电性,优化后的复合材料有效地降低了反应的起始电位。在-1.1 V(相对可逆氢电极(RHE))电位下,CO部分电流密度为15.6 mA·cm^-2,ZIF-8-50@CNT催化剂的比表面活性提升了3.5倍(相比ZIF-8-50),塔菲尔斜率降低到136 mV·dec^-1。并且产物CO的选择性和稳定性得到了提高,在宽电势窗口-0.9～-1.2 V(vs RHE)内,CO的法拉第效率(FE)保持在80%以上。在10 h稳定性测试中,催化剂活...     

全固态无负极锂金属电池纳米化复合集流体构筑

全固态无负极锂金属电池(AFSSLB)是一种通过初次充电形成金属锂负极的新型锂电池,它的负极与正极容量比为1,能使任意锂化正极系统达到最大能量密度。无机固态电解质的引入使无负极锂金属体系兼具高安全性。然而,电池循环过程中的锂离子通量不均导致的界面接触损失和锂枝晶生长会不断加剧,从而造成电池循环容量迅速衰减。本文构筑了纳米化的银碳复合集流体,显著增强了全固态无负极锂金属电池中集流体-电解质界面的性能。使用该集流体的固态电池循环过程中接触良好,界面阻抗为～10?·cm^-2。从而实现了超过7.0mAh·cm^-2锂金属的均匀稳定沉积,并在0.25mA·cm^-2的电流条件下实现循环200次以上。     

具有高效析氧催化性能的铁基双元金属有机框架纳米棒研究

析氧反应(OER)是电解水制氢的关键步骤,开发高效、稳定、廉价的OER电催化剂是目前该领域的研究热点.碱性电解液中的OER电催化剂成分以Mn、Fe、Co、Ni等为主,其中单一组分的Fe基化合物催化活性不高,但碱性电解液中的痕量铁杂质极易掺入Ni、Co等非Fe基材料的结构中,极大影响其OER催化性能,即现有大部分非Fe基化合物无法回避Fe的影响.为探究Fe基多金属电催化剂的活性规律,本文以结构清晰、组分可控的Fe基金属有机框架材料为基底,通过掺入Mn、Co、Ni等元素构建双元金属化合物Fe2M-MIL-88B(M=Mn,Co,Ni),并围绕上述Fe基双金属电催化剂的构效关系展开研究.扫描电镜、透射电镜、X射线衍射光谱、红外光谱等表征结果表明,所制备的Fe基双金属材料均为具有MIL-88B构型的纳米棒,其特征三核金属簇Fe₃O中的一个铁原子被第二元金属所替代,从而形成相应的三核混合金属簇Fe₂MO.上述Fe基双金属催化剂的析氧催化活性顺序为:Fe2Ni>Fe₂Co>Fe₂Mn>Fe(0.1 M KOH电解液).其中,Fe₂Ni-MIL-88B电催化剂在10 mA cm^-2析氧电流对应的过电位仅需307 mV,明显低于OER基准电催化剂20 wt%Ir/C(376 mV).结合材料的元素组成、电化学活性比表面积(ECSA)及金属价态分析发现,第二元金属的引入会在不同程度上降低Fe的价态,其中Ni的影响程度最大,Co次之,Mn的影响最小.借助分子轨道理论对上述实验现象进行了解释.处于低自旋态的Ni²⁺与邻近桥氧O^2-之间存在电子排斥作用,因此部分电子将从Ni²⁺经O^2-转移至高自旋态的Fe³⁺,从而在Ni²⁺和Fe³⁺之间形成了较强的电子耦合作用.Co²⁺具有和Ni²⁺相似的构型,但影响稍小.而Mn²⁺和Fe³⁺同为高自旋态,对Fe³⁺的电子结构影响最小,导致活性改善程度最低.密度泛函理论计算得到的自旋态变化情况印证了上述推测.该系列Fe基双金属材料的催化性能主要受金属活性位点的电子结构影响,Fe与邻近金属间形成的电子耦合作用修饰了金属活性位点的电子结构,从而提高了材料的OER本征催化活性.     

锚定在中空碳纳米笼上的Fe掺杂Co3O4用于高效电催化析氧(英文)

本研究采用[Fe(CN)₆]^3-阴离子交换2-甲基咪唑再于空气气氛下退火衍生的策略,制备了一种负载在氮掺杂中空纳米笼碳骨架上的Fe掺杂Co₃O₄电催化剂(Fe-Co₃O₄/NC),用于电催化OER。XRD和HRTEM表征证实了Fe掺人Co₃O₄的晶格中。XPS表征明确了Fe引入后Co价态升高,这是基于Co²⁺/Co³⁺和Fe³⁺的价电子构型诱导的电子由Co²⁺/Co³⁺向Fe³⁺的转移,这会促使Co位点在OER过程中衍生为CoOOH活性物种,作为真正的电催化活性中心,这也被OER稳定性测试后的HRTEM和XPS表征所证实。电化学性能测试显示,该电催化剂的OER过电位仅有275 mV且能够在100 mA/cm²的电流密度下稳定维持20 h,兼具优异的电催化活性和稳...     

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。     

简易电沉积法制备CoFe-P催化剂用于高效析氧反应

开发低成本、高活性且稳定的非贵金属催化剂是实现大规模电解水制氢的关键所在。在此,我们通过简便、合理的电沉积法在泡沫镍(NF)上构建了一种具备超薄二维纳米片形貌的高度非晶相Co1Fe1-P薄膜用于高效催化析氧反应(OER)。在1.0mol·L^-1 KOH溶液中,所制备的Co1Fe1-P/NF催化剂在电流密度为10和100 mA·cm^-2处的过电位分别为274.4和329.5 mV,Tafel斜率仅为 45.3 mV·dec^-1,可以媲美商业 RuO₂催化剂。此外,Co1Fe1-P/NF 催化剂在 10 mA·cm^-2的 100 h 计时电压法测试和1 000次循环伏安法测试中均表现出卓越的催化稳定性。Co1Fe1-P/NF催化剂优秀的催化活性归因于其独特的形貌、高度非晶相结构提供的低能垒、优化的电子结构以及钴磷化物和铁磷化物的强协同效应。     

简易电沉积法制备CoFe-P催化剂用于高效析氧反应

开发低成本、高活性且稳定的非贵金属催化剂是实现大规模电解水制氢的关键所在。在此,我们通过简便、合理的电沉积法在泡沫镍(NF)上构建了一种具备超薄二维纳米片形貌的高度非晶相Co1Fe1-P薄膜用于高效催化析氧反应（OER）。在1.0mol·L^-1 KOH溶液中,所制备的Co1Fe1-P/NF催化剂在电流密度为10和100 mA·cm^-2处的过电位分别为274.4和329.5 mV,Tafel斜率仅为45.3 mV·dec^-1,可以媲美商业RuO₂催化剂。此外,Co1Fe1-P/NF催化剂在10 mA·cm^-2的100 h计时电压法测试和1 000次循环伏安法测试中均表现出卓越的催化稳定性。Co1Fe1-P/NF催化剂优秀的催化活性归因于其独特的形貌、高度非晶相结构提供的低能垒、优化的电子结构以及钴磷化物和铁磷化物的强协同效应。     

Construction of Co4 Atomic Clusters to Enable Fe−N4 Motifs with Highly Active and Durable Oxygen Reduction Performance

Fe−N−C catalysts with single-atom Fe−N₄ configurations are highly needed owing to the high activity for oxygen reduction reaction (ORR). However, the limited intrinsic activity and dissatisfactory durability have significantly restrained the practical application of proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Here, we demonstrate that constructing adjacent metal atomic clusters (ACs) is effective in boosting the ORR performance and stability of Fe−N₄ catalysts. The integration of Fe−N₄ configurations with highly uniform Co₄ ACs on the N-doped carbon substrate (Co₄@/Fe₁@NC) is realized through a “pre-constrained” strategy using Co₄ molecular clusters and Fe(acac)₃ implanted carbon precursors. The as-developed Co₄@/Fe₁@NC catalyst exhibits excellent ORR activity with a half-wave potential (E_1/2) of 0.835 V vs. RHE in acidic media and a high peak power density of 840 mW cm⁻² in a H₂−O₂ fuel cell test. First-principles calculations further clarify the ORR catalytic mechanism on the identified Fe−N₄ that modified with Co₄ ACs. This work provides a viable strategy for precisely establishing atomically dispersed polymetallic centers catalysts for efficient energy-related catalysis.     

Isolated Single Iron Atoms Anchored on N‐Doped Porous Carbon as an Efficient Electrocatalyst for the Oxygen Reduction Reaction

The development of low‐cost, efficient, and stable electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) is desirable but remains a great challenge. Herein, we made a highly reactive and stable isolated single‐atom Fe/N‐doped porous carbon (ISA Fe/CN) catalyst with Fe loading up to 2.16 wt %. The catalyst showed excellent ORR performance with a half‐wave potential (E _1/2) of 0.900 V, which outperformed commercial Pt/C and most non‐precious‐metal catalysts reported to date. Besides exceptionally high kinetic current density (J _k) of 37.83 mV cm⁻² at 0.85 V, it also had a good methanol tolerance and outstanding stability. Experiments demonstrated that maintaining the Fe as isolated atoms and incorporating nitrogen was essential to deliver the high performance. First principle calculations further attributed the high reactivity to the high efficiency of the single Fe atoms in transporting electrons to the adsorbed OH species.     

凹形树突状PtCu纳米催化剂的合成及对甲醇的电催化

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,Ni Cl2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-NOMC-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5.32 m A·cm-2,氢氧化电化学活性面积高达138.53 m2·g-1,电化学催化活性优于商业20%Pt/C材料(4.49 m A·cm-2,96.98 m2·g-1)。     

基于生物质的高度有序的管状碳材料及其在锂硫电池中的应用

将棕榈纤维经过炭化和氢氧化钾活化制备高度有序的管状碳材料(OCT),并且将其应用于锂硫电池。所制备的OCT具备高的比表面积和大的孔体积,可以有效地储存硫,合成方法简单且成本较低。同时,所制备的S@OCT复合物呈现出优异的电化学性能。载硫量为65%(w/w)的S@OCT复合材料在0.2C(1C=1 672 mA·g-1)的倍率下库伦效率接近于100%,其首圈容量高达1 255.2 mAh·g-1(1.8 mAh·cm-2),并且100圈后容量保持在756.9 mAh·g-1(1.09 mAh·cm-2)。使用5C的大电流测试时,其首圈容量达到了649.1 mAh·g-1(0.93 mAh·cm-2),且在100圈后容量保持在504.2 mAh·g-1(0.72 mAh·cm-2)。