碱性介质中碳纳米管FeNi复合物上电催化析氧反应(英文)

Non-noble metals such as Fe and Ni have comparable electrocatalytic activity and stability to that of Ir and Ru in an oxygen evolution reaction (OER). In this study, we synthesized carbon nanofibers with embedded FeNi composites (FeNi-CNFs) as OER electrocatalysts by a facile route comprising electrospinning and the pyrolysis of a mixture of metal precursors and a polymer solution. FeNi-CNFs demonstrated catalytic activity and stability that were better than that of 20 wt% Ir on Vulcan carbon black in oxidizing water to produce oxygen in an alkaline media. Physicochemical and electrochemical characterization revealed that Fe and Ni had synergistic roles that enhanced OER activity by the uniform formation and widening of pores in the carbon structure, while the CNF matrix also contributed to the increased stability of the catalyst.     

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.     

Cobalt and nitrogen codoped porous carbon as superior bifunctional electrocatalyst for oxygen reduction and hydrogen evolution reaction in alkaline medium

Metal (cobalt)/nitrogen codoped carbon was first fabricated by pyrolysis of coordinated “noncarbonizable” polymer as bifunctional catalyst for ORR and HER, which showed better electrocatalytic performances than most bifunctional doped carbon catalysts in alkaline electrolyte.     

溶剂热法制备磷掺杂碳纳米管作为氧气还原和氧气析出反应双功能电催化剂的研究

对氧气还原(ORR)和氧气析出(OER)反应都具有催化活性的双功能催化剂在金属-空气电池中起着关键作用.本文通过溶剂热反应,一步原位合成了磷掺杂碳纳米管(P-CNT).旋转环盘电极测试表明磷掺杂能够明显提高碳纳米管的催化活性,P-CNT在碱性电解质中对ORR和OER都具有优异的催化活性.P-CNT对ORR的催化还原为近4电子反应,可与商业催化剂Pt/C(20 wt%)相比;而其对OER的催化活性则高于Pt/C(20 wt%).此外,P-CNT的长期稳定性优于Pt/C(20 wt%).P-CNT对ORR和OER的高催化活性和稳定性主要归因于磷对碳的掺杂以及磷与碳间强的化学键合.     

Effect of graphene surface functionalization on the oxygen reduction reaction in alkaline media

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氮掺杂纳米碳块的制备及氧还原的高电化学催化活性

面对全球化的能源危机,燃料电池由于其高效性和可重复使用性成为越来越具有潜力的能量转化设备.阴极发生的氧气还原反应对于燃料电池的性能十分重要,寻找高效的氧还原催化剂在很大程度上可以提高燃料电池的性能.传统的氧还原催化剂是贵金属铂,但是铂的价格十分高,较差的稳定性和选择性限制了它的商业化应用,因此找到一种廉价高效的非贵金属氧还原催化剂来代替铂基催化剂成为目前的研究热点.我们最近发现将纯的三羟甲基氨基甲烷置于管式炉中在800°C下真空烧制2 h,可以简单快捷地得到一种含 N量为4.11%的纳米碳块(标记为 NCNBs-800),该材料可用于催化电化学氧气还原反应.同样情况下在700和900°C下合成的材料标记为 NCNBs-700和 NCNBs-900.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电化学旋转圆盘方法与技术对催化剂的成分、形貌和电催化性能进行了表征. SEM表明 NCNBs-800为直径为60 nm的碳块,用 FTIR手段表征了 NCNBs-800的结构变化,三羟甲基氨基甲烷中的–OH和–NH2在高温下发生消去反应,形成了饱和度不同的 C–N键和 C–C键.这些饱和度不同的 N原子和 C原子增加了材料的缺陷结构和活性位点,进一步促进了氧还原反应的催化性能.采用 XPS分析了 NCNBs-800表面的元素,通过对 N 1s进行分峰拟合,发现 NCNBs-800含有能促进氧还原性能的吡啶-N和吡咯-N,特别是吡啶-N,它吸电子的能力很强,从而导致与它邻近的 C原子表面具有一定的正电荷,这些正电荷促进了氧气的吸附和还原,为氧气还原反应提供活性位点,促进氧气还原反应的发生. XRD结果表明,三羟甲基氨基甲烷热解前后的 XRD谱图有明显变化,热解后的三羟甲基氨基甲烷呈现两个宽峰,代表着杂化碳的存在. NCNBs-800的衍射峰强度比 NCNBs-700以及 NCNBs-900大,但是宽度则比 NCNBs-700以及 NCNBs-900小,这表明800°C有利于材料的石墨烯化及碳化过程.电化学阻抗可以表明修饰电极的表面性质,阻抗图中高频处半圆的直径大小代表电子转移阻力,低频处的线性部分代表扩散过程.阻抗数据表明, NCNBs-800的电荷转移电阻可与 Pt/C催化剂相比,但是比裸露的玻碳电极小.这表明 NCNBs-800有较好的导电性和电化学性质. CV曲线表明 NCNBs-800氧还原的起始电位是-0.05 V (vs Ag/AgCl),氧气的还原电位是0.20 V (vs Ag/AgCl),说明 NCNBs-800具有良好的电化学催化性能.旋转环盘电极仪测得的氧还原极化曲线表明,在-0.3 to-0.8 V下的 NCNBs-800氧还原的电子转移数为3.4,过氧化氢产率为52%-35%,表明 NCNBs-800呈现一个提高的四电子过程.稳定性对于燃料电池氧气还原反应也是一个十分重要的性能,通过计时电流技术在电压为-0.2 V下对 NCNBs-800与 Pt/C进行了稳定性测试.结果表明,在2500 s之后 NCNBs-800相对于它的最初催化活性损失为17.56%,而 Pt/C损失了30.71%,从而说明 NCNBs-800的稳定性优于 Pt/C.总之,我们通过一步热解的简易技术制备了一种氮掺杂纳米碳材料,该碳材料具有廉价、高效和容易制备等特点,具有良好的电化学催化性能,有望在燃料电池氧化还原反应中得到大规模应用.     

A new strategy to access Co/N co-doped carbon nanotubes as oxygen reduction reaction catalysts

Carbon nanotubes(CNTs),as one-dimensional nanomaterials,show great potential in energy conversion and storage due to their efficient electrical conductivity and mass transfer.However,the security risks,time-consuming and high cost of the preparation process hinder its further application.Here,we develop that a negative pressure rather than a following gas environment can promote the generation of cobalt and nitrogen co-doped CNTs(Co/N-CNTs) by using cobalt zeolitic imidazolate framework(ZIF-67) as a precursor,in which the negative pressure plays a key role in adjusting the size of cobalt nanoparticles and stimulating the rearragement of carbon atoms for forming CNTs.Importantly,the obtained Co/N-CNTs,with high content of pyridinic nitrogen and abundant graphitized structure,exhibit superior catalytic activity for oxygen reduction reaction(ORR) with half-wave potential(E_1/2) of 0.85 V and durability in terms of the minimum current loss(2%) after the 30,000 s test.Our development provides a new pathway for large-scale and cost-effective preparation of metal-doped CNTs for various applications.     

自组装制备高路易斯碱度和优异电子特性的3D碳网络电催化剂在碱性金属-空气电池中的应用（英文）

碳材料具有良好的稳定性,且容易在碳晶格形成缺陷,具备一定的催化活性,因此碳材料作为一种可替代贵金属电催化剂的材料是催化领域的研究热点.通过杂原子的引进,可以改变相应碳原子的结构特性,进而提升其催化活性.其中N的电负性强于C,N元素的引入影响C的原子结构使其作为活性位点催化氧气还原.S元素与C元素的电负性相近,S掺杂的过程中会增大C原子周围的自旋电子密度,从而增大其对0_2的吸附能力,提高其催化活性.两种作用方式不同的掺杂元素之间会形成一种协同效应,进而提高碳材料的催化活性.本文采用三聚氰胺的溶剂法制备了三维结构N,S共掺杂碳网络.三聚氰胺和十二烷基苯磺钠在溶液中分布以正、负离子团存在,以其在二氧化硅模板外形成的缔合物作为前驱体,直接制备活性材料.采用扫描电子显微镜(SEM),X射线光电子能谱(XPS),拉曼光谱(Raman)等手段研究了材料的合成过程及具有优良催化活性的原因.SEM,TEM和BET结果表明材料具有良好的孔道结构和较高的比表面积(385.09 m~2/g).Raman和XPS分析证明了N,S共掺杂后的材料中碳晶格的缺陷程度明显增大,而其中存在的吡啶N位于石墨平面的边缘部位,与两个C原子相连,这种N影响了相连C的路易斯碱度,改善了其吸附氧气能力.同时,由DFT计算结果可知,噻吩S的存在可以改变相连C原子的自旋电子密度,与掺杂的N原子形成有效的防协同作用,提高其对氧气的催化活性.相应的电催化性能测试表明,在0.1 mol/L KOH溶液中,共掺杂材料的起始电位为-0.08 V,优于其他两种对比材料,与商用Pt/C催化剂相近.N,S掺杂显著提高了碳材料的催化性能,共掺杂材料表现出了较单一N掺杂更为优异的催化性能.在铝空气电池放电过程中,以共掺杂碳材料制备的空气电极具有优良的放电性能,在50 mA/cm~2的电流密度下放电,电压达到1.34 V.共掺杂材料良好的催化活性显著减少了空气电极处的极化,提高了铝空气电池的放电电压.这种制备方法可为具有此类溶液特性的物质提供参考,用以合成相应的掺杂碳材料作为催化剂材料和电极材料。     

聚对苯二胺和炭黑复合物作为高效的氧还原催化剂及其稳定性研究

近年来,氮掺杂的碳材料作为碱性氧还原催化剂得到了研究者的广泛关注.掺杂的 N原子会影响 C原子的自旋密度和电荷分布,导致碳材料表面产生“活性位点”,因此掺氮碳材料具有优秀的氧还原活性,这已经在理论计算和实验中得到了验证.我们通过调节聚对苯二胺和碳黑的比例,之后进行热解制备了一系列掺氮碳材料.其中0.88PpPD/CB样品具有最好的氧还原活性,其在 KOH溶液(0.1 mol/L)中的氧还原性能超过了商业碳载铂.通过扫描电子显微镜表征,发现碳球聚集在聚对苯二胺的表面,这主要是因为聚对苯二胺没有进行酸掺杂,因此其水溶性比较差.通过氮气的吸脱附表征,发现聚对苯二胺的比表面积很小,而碳黑样品(BP2000)的比表面积很大.因此,随着聚对苯二胺量的增加,聚对苯二胺/碳黑复合物的比表面积逐渐降低.另外,聚对苯二胺表面几乎都是微孔,而介孔和大孔主要来自于碳黑.研究者认为,“活性位点”主要位于微孔内(聚对苯二胺表面),而介孔和大孔有利于物质的传输.因此,当聚对苯二胺和碳黑的比例合适时,既有大量的“活性位点”暴露,又有足够的介孔和大孔进行物质传输,所以0.88PpPD/CB样品的氧还原活性最高.
　　但是,对于掺氮碳材料来说,一个主要的问题就是稳定性不足.不管是电化学稳定性,还是放置在空气中的稳定性,掺氮碳材料都比不上铂基催化剂,这也阻碍了它们的大规模应用.对于电化学稳定性,很多文章都进行了报道,但是很少有文章报道掺氮碳材料在空气中的稳定性.我们知道,铂基材料之所以具有优异的氧还原活性,是因为铂和氧气的结合能比较合适,既利于氧气吸附,也利于之后氧气分子键的断裂.但是,当铂基材料放置在空气中,氧气的吸附也会发生,而且之后会导致表面氧化层的形成.所以铂基材料需要活化才能达到最好的催化性能.对于掺氮碳材料,放置在空气中会不会发生氧化反应？这对氧还原活性是否有影响？为了研究掺氮碳材料在空气中的稳定性,我们将0.88PpPD/CB样品在空气中放置了一个月,之后再进行电化学测试.旋转圆盘电极测试表明,在空气中放置了一个月后,0.88PpPD/CB样品的氧还原活性降低了,不管是半波电位还是极限电流密度都下降了.之后我们对其进行了 X射线光电子能谱检测,发现在空气中放置了一个月后其氧含量提高了1%(原子分数),而氮含量几乎没有变化.氧含量的提高证实了氧化反应的发生,但不能直接归结于空气中的氧气.为了排除其他因素,如水蒸气、二氧化碳等,当热处理完成,管式炉温度低于100°C时,我们将高纯氮气切换为高纯氧气,一个小时后再取出样品.电化学测试表明,在氧气中暴露了一个小时后,0.88PpPD/CB样品的氧还原活性极大地降低了,而且 X射线光电子能谱表明其氧含量提高了一倍,接近12%.因此,我们证实了氧气会和0.88PpPD/CB样品反应,导致样品的氧还原活性降低.所以,对于未来掺氮碳材料的大规模应用,要考虑其在空气中的稳定性,以及如何避免和氧气接触.     

氮掺杂的碳材料中石墨化氮和吡啶氮对氧还原反应的催化特性

目前,开发高效的阴极氧还原反应(ORR)电催化剂是实现燃料电池和金属-空气电池商业化发展急需完成的目标。在过去的几十年中,人们在探索廉价高效的 ORR电催化剂(如 N掺杂的非金属及非铂电催化剂)领域做了广泛的研究。在 N掺杂的碳基 ORR催化剂中,已知的 N基活性位点主要分为四类,即吡啶类氮(P-N)、吡咯类氮(Py-N)、石墨化氮(G-N)和氧化类氮(O-N)。尽管人们对这四种类型氮的活性位点做了大量的研究,但是它们在催化反应中起到的 ORR催化作用以及催化机理和活性位点本身结构的关系仍不够明确。早期的研究中有人认为 P-N或者 Py-N是 ORR催化活性位点,也有人认为是 G-N起作用。最近也有研究表明, P-N和 G-N都是 ORR催化活性位点,只是在 ORR中所起的催化能力不同。因此,很有必要认清这些问题。
　　本文通过 Hummer法酸性氧化一次和两次碳黑 Vulcan XC-72(VXC-72)以及随后高温热处理,制备了一系列 ORR催化剂 VXCO-1, VXCO-2, VXCO-1(900)和 VXCO-2(900),采用场发射扫描电子显微镜(SEM), N2吸附脱附法,元素分析仪(EA), X射线光电子能谱(XPS),拉曼光谱仪(Raman), X射线衍射能谱(XRD),电化学循环伏安法和线性伏安法测试等手段研究 Hummers法酸氧化和高温热处理对 VXC-72形貌组成的影响,以及这些碳基中成分和其催化 ORR能力的关系。
　　 SEM结果表明, Hummer法酸性氧化处理 VXC-72一次和两次后可以逐层剥落其最外边的碳层结构,最终得到表面光滑的类片层状结构的碳材料(VXCO-1和 VXCO-2)。这种表面光滑的类片层状结构的碳材料比表面积大于处理前的 VXC-72,而高温热处理之后的碳材料(VXCO-1(900)和 VXCO-2(900))由于类石墨层碎片结构蒸发损失暴露出更多内部的微孔和介孔结构使比表面积增加。 Raman和 XRD结果表明,氧化处理使碳材料的石墨化程度增加,而高温热处理则降低了其石墨化程度。
　　 EA和 XPS结果表明, Hummer法酸性氧化处理可以使在碳材料中掺入的 N以石墨化的为主,高温热处理却使得石墨化氮转变为吡啶类的氮。 ORR结果发现,活性的石墨化氮倾向于使 ORR反应经历两电子过程,从而生成 H2O2为主要产物;而吡啶类氮的活性位点更倾向于使 ORR反应经过四电子过程,主产物是水。该结果有助于新型碳基氧还原催化剂的设计和分析。     

氧还原和析氧反应的双功能电催化剂--氮磷共掺碳负载四氧化三钴

金属-空气电池具备诸多优势,譬如绿色环保、能量转化率高、启动快速、能量密度高、使用寿命和干态存储时间长等.与燃料电池相比,金属-空气电池结构简单,放电电压平稳,成本低,但依然存在一些制约发展的问题,如阴极催化剂.阴极催化剂在金属-空气电池中发挥催化氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)和析氧反应(oxygen evolution reac-tion, OER)的关键作用.铂及其合金常用作 ORR的单功能催化剂,而钌和铱等是目前 OER催化效率最高的,但 ORR活性很低,因此需要开发出一种廉价而又具备双功能催化作用的催化剂.单异原子掺杂的碳基催化剂的研究集中在 ORR催化性能上,而多异原子共掺碳最近有研究表明具有双催化氧的性质,如氮磷共掺碳.在这些氮磷共掺的碳架中,氮磷共掺物起着 OER催化作用,掺氮物为 ORR催化的活性位点,而掺磷物起着强化作用.异原子掺杂负载的钴基催化剂(如掺氮还原氧化石墨烯载 Co3O4)是近年来双功能催化剂研究的另一个热点.钴基催化剂有着催化 ORR和 OER的多价价态,然而其本身导电性能差,这一缺陷可通过杂化石墨化碳来弥补,石墨化碳有着优良的导电性能.据我们所知,目前仍没有关于氮磷共掺碳负载的 Co3O4双催化氧的研究.我们合成了氮磷共掺碳(NPC)负载的 Co3O4(Co3O4/NPC),并首次探索了其氧还原和析氧性能. Co3O4/NPC合成分两步进行.首先通过三聚氰胺与植酸之间的酯化或缩聚覆盖在导电炭黑颗粒表面,在保护气氛下焙烧得到 NPC,然后经溶剂热反应以及空气中氧化合成 Co3O4/NPC.催化剂的性能综合考虑了催化活性和稳定性两方面.采用线性扫描伏安法评估了 OER和 ORR的催化活性.对于 OER, Co3O4/NPC的起始电势是0.54 V (以饱和甘汞电极为参比电极),在0.80 V时电流密度达到21.95 mA/cm2,均优于 Co3O4/C和 NPC. Co3O4/NPC的高效 OER催化可归因于氮磷共掺物与 Co3O4之间的协同作用.对于 ORR, Co3O4/NPC的催化效率与商用 Pt/C相近,它们的扩散极限电流密度分别为–4.49和–4.76 mA/cm2(E =–0.80 V).在 ORR过程中, Co3O4起到主要的催化作用.采用计时电流(电流-时间)法评估了催化剂的稳定性.经6 h测定,对于 OER, Co3O4/NPC剩46%电流;而对于 ORR,剩95%电流.整体而言, Co3O4/NPC在 OER和 ORR中都表现出高的催化效率以及良好的稳定性.     

Methanol oxidation in acidic and alkaline electrolytes using PtRuIn/C electrocatalysts prepared by borohydride reduction process

PtRuIn/C electrocatalysts( 20% metal loading by weight) were prepared by sodium borohydride reduction process using H_2PtCl6·6H_2O,RuCl_3·xH_2O and InCl_3·xH_2O as metal sources,borohydride as reducing agent and Carbon Vulcan XC72 as support. The synthetized PtRuIn/C electrocatalysts were characterized by X-ray diffraction( XRD),energy dispersive analysis( EDX),transmission electron microscopy( TEM),cyclic voltammetry( CV),chronoamperommetry( CA) and polarization curves in alkaline and acidic electrolytes( single cell experiments). The XRD patterns showPtpeaks are attributed to the face-centered cubic( fcc) structure,and a shift of Pt( fcc) peaks indicates that Ru or In is incorporated into Ptlattice. TEMmicrographs showmetal nanoparticles with an average nanoparticle size between 2.7 and 3.5 nm. Methanol oxidation in acidic and alkaline electrolytes was investigated at room temperature,by CV and CA. PtRu/C( 50 ∶ 50) shows the highest activity among all electrocatalysts in study considering methanol oxidation for acidic and alkaline electrolyte. Polarization curves at 80 ℃ showPtRuIn/C( 50 ∶ 25 ∶ 25)with superior performance for methanol oxidation,when compared to Pt/C,PtIn/C and PtRu/C for both electrolytes. The best performance obtained by PtRuIn/C( 50 ∶ 25 ∶ 25) in real conditions could be associated with the increased kinetics reaction and/or with the occurrence simultaneously of the bifunctional mechanism and electronic effect resulting from the presence of Ptalloy.     

Paper-derived cobalt and nitrogen co-doped carbon nanotube@porous carbon as a nonprecious metal electrocatalyst for the oxygen reduction reaction

The oxygen reduction reaction (ORR) is a vitally important process in fuel cells. The development of high-performance and low-cost ORR electrocatalysts with outstanding stability is essential for the commercialization of the electrochemical energy technology. Herein, we report a facile synthesis of cobalt (Co) and nitrogen (N) co-doped carbon nanotube@porous carbon (Co/N/CNT@PC-800) electrocatalyst through a one-step pyrolysis of waste paper, dicyandiamide, and cobalt(II) acetylacetonate. The surface of the hierarchical porous carbon supported a large number of carbon nanotubes (CNTs), which were derived from dicyandiamide through the catalysis of Co. The addition of Co resulted in the formation of a hierarchical micro/mesoporous structure, which was beneficial for the exposure of active sites and rapid transportation of ORR-relevant species (O₂, H⁺, OH^?, and H₂O). The doped N and Co formed more active sites to enhance the ORR activity of the electrocatalyst. The Co/N/CNT@PC-800 material exhibited optimal ORR performance with an onset potential of 0.005 V vs. Ag/AgCl and a half-wave potential of –0.173 V vs. Ag/AgCl. Meanwhile, the electrocatalyst showed an excellent methanol tolerance and a long-term operational durability than that of Pt/C, as well as a quasi-four-electron reaction pathway. The low-cost and simple synthesis approach makes the Co/N/CNT@PC-800 a prospective electrocatalyst for the ORR. Furthermore, this work provides an alternative approach for exploring the use of biomass-derived electrocatalysts for renewable energy applications.     

Rational design of three-dimensional nitrogen and phosphorus co-doped graphene nanoribbons/CNTs composite for the oxygen reduction

In the present work, we report nitrogen and phosphorus co-doped 3-D structured carbon nanotube intercalated graphene nanoribbon composite. The graphene nanoribbons are prepared via partial exfoliation of multi-walled carbon nanotubes. In the graphene nanoribbons/CNTs composite, carbon nanotubes play a role of skeleton and support the exfoliated graphene nanoribbons to form the stereo structure. After high temperature heat-treatment with ammonium dihydrogen phosphate, the unique structure reserves both the properties of carbon nanotube and graphene, exhibiting excellent catalytic performance for the ORR with excellent onset and half-wave potential, which is similar to commercial Pt/C electrocatalysts.     

Co3O4/聚吡咯/石墨烯碱性溶液中电化学还原氧

燃料电池具有较高的能量密度和发电效率,以清洁能源为原料,零污染排放,是一种具有发展前景的能量储存和转化装置.阴极氧还原反应(ORR)在燃料电池中起着关键作用.ORR广泛采用贵金属铂基催化剂,但是它们价格昂贵,电子动力学转移速率慢,碱性条件下易团聚,这些亟需解决的问题阻碍了燃料电池商业化进程.近期,一些非贵金属催化剂被广泛研究,例如氮掺杂碳材料、Fe/N/C和Co/N/C材料等,它们有可能在未来替代铂基催化剂.我们的目标是合成新型高催化活性的Co/N/C及其衍生非贵金属材料,用于ORR催化反应.由于石墨烯具有独特的形貌、较大的比表面积和良好的导电性,其表面含有功能化的官能团,所以我们选择石墨烯作为碳载体.首先,用改性休克尔方法合成了氧化石墨烯(GO),为了提高其催化活性,采用聚吡咯作为氮源对其进行了氮掺杂,制备了聚吡咯/氧化石墨烯(Ppy/GO).通过ORR催化性能测试发现,GO对ORR具有一定的催化活性,它的起始电位和阴极电流电位分别为–0.31 V vs SCE和–0.38 V vs SCE;Ppy/GO的起始电位和阴极电流电位分别为–0.20 V vs SCE和–0.38 V vs SCE,氮掺杂对GO的催化活性有所提高.采用水热法沉积氧化钴合成了Co3O4/聚吡咯/氧化石墨烯(Co3O4/Ppy/GO).其形貌为Co3O4分散在氮掺杂GO表面.在KOH电解质(0.1 mol/L)中测试,Co3O4/Ppy/GO的起始电位和阴极电流电位分别为–0.20 V和–0.38 V vs SCE.经过800℃高温煅烧处理后,Co3O4/Ppy/GO-800的催化活性明显提高,起始电位和阴极电流电位分别达到–0.10 V和–0.18 V vs SCE.ORR电子转移数为3.4,接近于4电子反应途径.Co3O4/Ppy/GO对ORR的催化活性及4电子催化选择性较高,可能是由于纳米形态的Co3O4和Ppy/GO之间具有较强的表面作用力,聚吡咯掺杂的氧化石墨烯具有较强的电子储存及释放能力.综上,我们通过水热法制备了钴、氮共掺杂的GO,并研究了其对ORR的催化活性和电子转移选择性.结果表明Co3O4/Ppy/GO是一种高效的非贵金属电催化剂,在碱性电解质中具有很高的ORR催化活性,在燃料电池阴极催化剂方面很有前景.     

氮掺杂碳纳米管负载Co3O4氧还原电催化剂的制备与性能

以碳纳米管(CNT)为原料,通过负载维生素B₁₂,简单热解得到了一种氮掺杂碳纳米管(N/CNT)负载低含量Co₃O₄纳米颗粒的氧还原电催化剂(Co₃O₄@N/CNT)。得益于均匀分散的Co₃O₄纳米颗粒以及氮掺杂,Co₃O₄@N/CNT表现出了优异的氧还原催化性能,其半波电位达到了0.844 V(vs RHE),超越了商业Pt/C(0.820 V(vs RHE))。与Pt/C相比,基于Co₃O₄@N/CNT组装的锌-空气电池表现出了更优的放电性能和循环稳定性。     

氮掺杂碳纳米管负载Co3O4氧还原电催化剂的制备与性能

以碳纳米管(CNT)为原料,通过负载维生素B₁₂,简单热解得到了一种氮掺杂碳纳米管(N/CNT)负载低含量Co₃O₄纳米颗粒的氧还原电催化剂(Co₃O₄@N/CNT)。得益于均匀分散的Co₃O₄纳米颗粒以及氮掺杂,Co₃O₄@N/CNT表现出了优异的氧还原催化性能,其半波电位达到了0.844 V(vs RHE),超越了商业Pt/C(0.820 V(vs RHE))。与Pt/C相比,基于Co₃O₄@N/CNT组装的锌-空气电池表现出了更优的放电性能和循环稳定性。     

A facile template approach for the synthesis of mesoporous Fe3C/Fe-Ndoped carbon catalysts for efficient and durable oxygen reduction reaction

Layer-structured FeOCl was used as a novel inorganic template and the Fe doping source for the facile synthesis of three-dimensional polypyrrole structures which can be converted into mesoporous Fe₃C/Fe-N-doped carbon catalysts for efficient and robust oxygen reduction reaction.     

Enhanced electrocatalytic activity for H2O2 production by the oxygen reduction reaction: Rational control of the structure and composition of multi-walled carbon nanotubes

Hydrogen peroxide (H₂O₂) is a very useful chemical reagent, but the current industrial methods for its production suffer from serious energy consumption problems. Using high-activity and high-selectivity catalysts to electrocatalyze the oxygen reduction reaction (ORR) through a two-electron (2e^?) pathway is a very promising route to produce H₂O₂. In this work, we obtained partially oxidized multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with controlled structure and composition by oxidation with concentrated sulfate and potassium permanganate at 40°C for 1 h (O-CNTs-40-1). The outer layers of O-CNTs-40-1 are damaged with defects and oxygen-containing functional groups, while the inner layers are maintained intact. The optimized structure and composition of the partially oxidized MWCNTs ensure that O-CNTs-40-1 possesses both a sufficient number of catalytic sites and good conductivity. The results of rotating ring disk electrode measurements reveal that, among all oxidized MWCNTs, O-CNTs-40-1 shows the greatest improvement in hydrogen peroxide selectivity (from ～ 30% to ～ 50%) and electron transfer number (from ～ 3.4 to ～ 3.0) compared to those of the raw MWCNTs. The results of electrochemical impedance spectroscopy measurements indicate that both the charge-transfer and intrinsic resistances of O-CNTs-40-1 are lower than those of the raw MWCNTs and of the other oxidized MWCNTs. Finally, direct tests of the H₂O₂ production confirm the greatly improved catalytic activity of O-CNTs-40-1 relative to that of the raw MWCNTs.     

高分散Fe-N-C氧还原反应电催化剂及其在直接甲醇燃料电池中的应用

氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属空气电池等洁净发电装置中阴极的主要反应,该反应动力学过程慢,电化学极化严重. Pt基电催化剂具有较好的ORR活性,然而Pt资源有限、价格昂贵,研制高活性、低成本的代Pt电催化剂意义重大.经过几十年的探索,研究者发现将含有C, N和Fe等元素的前体进行高温热处理得到的Fe-N-C电催化剂对ORR具有良好的活性,然而在高温热解过程中Fe容易发生聚集而形成大块颗粒,导致Fe的利用率不高,影响了电催化剂的ORR活性.
　　本文分别以聚吡咯和乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)为C和N的前驱体,利用高温热解形成的富含微孔的碳材料对铁前体的吸附及锚定作用,获得了一种Fe高度分散的Fe-N-C电催化剂.采用物理吸脱附技术、高分辨透射电镜(HRTEM)和扫描电镜对Fe-N-C及其制备过程中相关电催化剂的孔结构及表面形貌进行了表征.结果表明,在第一步热解过程中, EDTA-2Na的Na对碳材料起到了活化作用,形成富含微孔的N掺杂碳材料(N-C-1),其BET比表面积达到1227 m2/g,孔径约1.1 nm.在第二步热解过程中, N-C-1有效地抑制了Fe的聚集,产物Fe-N-C中的Fe元素均匀地分布在碳材料中,其比表面积高达1501 m2/g.
　　电化学测试结果表明,在碱性介质(0.1 mol/L NaOH)中, Fe-N-C电催化剂对ORR具有良好的催化活性, ORR起始电位(Eo)为1.08 V (vs. RHE),半波电位(E1/2)0.88 V,电子转移数n接近4, H2O2产率<3%,与商品20%Pt/C(Johnson Matthey)接近.电化学加速老化测试结果表明, Fe-N-C的E1/2未发生明显变化,而Pt的负移45 mV,表明Fe-N-C具有很好的稳定性;在酸性介质(0.1 mol/L HClO4)中, Fe-N-C的Eo为0.85 V, E1/2为0.75 V,其E1/2比Pt/C负移约0.15 V,表明在酸性介质中Fe-N-C对ORR的催化活性还有待提高.采用TEM、X射线衍射、X射线光电子能谱以及穆斯堡尔谱等方法研究了电催化剂构效关系.结果表明, Fe-N-C较好的ORR活性主要来自于高分散的Fe-N4结构,此外, N(吡啶N和石墨N)掺杂的C也对反应具有一定的催化活性.
　　与Pt/C相比, Fe-N-C电催化剂具有很好的耐甲醇性能.本文对比了Fe-N-C和Pt/C作为阴极催化剂的直接醇类燃料电池(DMFC)性能,采用质子交换膜的DMFC最大功率密度分别为47(Fe-N-C)和79 mW/cm2(Pt/C),而采用碱性电解质膜的则分别为33(Fe-N-C)和8 mW/cm2(Pt/C).结合半电池结果表明, Fe-N-C电催化剂在碱性介质中具有比Pt更为优秀的催化活性和稳定性,有望用作DMFC阴极代Pt催化剂.