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.     

Fe-N/C-TsOH催化剂应用碱性介质催化氧还原的电催化活性(英文)

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-1KOH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°C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―Sn―C和―SOn―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.     

S掺杂Fe-N-C高活性氧还原反应催化剂

采用微波加热和高温碳化技术, 以ZIF-8为前驱体, 在甲醇-水双溶剂体系中先后引入Fe(NO₃)₃·9H₂O和KSCN, 制备了一系列S掺杂的Fe-N-C催化剂（Fe₃C/Fe-SAS@SNC）, 并通过X射线粉末衍射、 扫描透射电子显微镜和氮气吸附-脱附测试等表征手段进行分析. 结果表明, Fe和S两种元素的合理掺杂使Fe₃C/Fe-SAS@SNC催化剂具有明显的分级多孔结构, 比表面积达到673 m²/g, 在酸、 碱电解质中均表现出了优异的氧还原催化性能. 在0.1 mol/L KOH中, Fe₃C/Fe-SAS@SNC催化剂的半波电位达到0.880 V(vs. RHE), 高于商业Pt/C催化剂, 且表现出了比商业Pt/C更优的稳定性. 在0.5 mol/L H₂SO₄中, Fe₃C/Fe-SAS@SNC电催化氧还原的性能也与商业Pt/C催化剂相当.     

基于血红素衍生的中空非贵金属催化剂氧还原反应电催化活性

血红素作为一种天然金属大环化合物常被用于制备非贵金属电催化剂用于燃料电池阴极的氧还原反应,但是其电催化活性仍有待提升。本文以氯化钠作为模板设计合成了一种中空的铁基非贵金属电催化剂Hemin-HD(Hemin hollow derivative),在碱性介质中该催化剂可以高效地催化氧还原反应。结合透射电镜、X射线衍射、比表面积分析和X射线光电子能谱等物理化学表征可知,与无模板制备的电催化剂Hemin-D(Hemin derivative)相比,Hemin-HD电催化剂比表面积提升了6.5倍,孔容积增加了3.8倍。这主要是由于该电催化剂中空结构的设计使得催化活性位可以同时分散在内表面和外表面,比表面积的增加加强了活性位点的暴露,提高了活性位点密度。此外,Hemin-HD电催化剂中的孔道结构可以有效地改善氧气传质速率,加强活性位点与反应物之间的接触,从而有效提高催化剂的氧还原活性。     

碳纳米管基非贵金属催化剂在电催化氧化还原中的应用研究进展

燃料电池和金属-空气电池是将化学能直接转化成电能的绿色电池,具有能量密度高、安全和环保等优点,相比传统能源具有独特优势。然而,目前阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)使用的贵金属铂(Pt)储量低,成本高,易中毒失活,严重限制了燃料电池的大规模应用。因此,开发廉价、高效、稳定的非贵金属催化剂成为研究热点。碳纳米管具有本征sp~2杂化结构、优异的导电性、高比表面积、良好的化学稳定性等突出优点,受到广泛关注。本文综述了碳纳米管基非贵金属ORR催化剂的最新进展,主要包括非金属掺杂、过渡金属-氮-碳纳米管、负载过渡金属及其衍生物(氧化物、碳化物、氮化物、硫化物等)、负载单原子、与其他碳材料(石墨烯、多孔碳、碳纳米纤维)复合以及碳纳米管基自支撑电极。最后,对碳纳米管基非贵金属ORR催化剂的研究前景和下一步研究方向进行了展望。     

碳纳米管基非贵金属催化剂在电催化氧化还原中的应用研究进展

燃料电池和金属-空气电池是将化学能直接转化成电能的绿色电池,具有能量密度高、安全和环保等优点,相比传统能源具有独特优势。然而,目前阴极氧还原反应（oxygen reduction reaction,ORR）使用的贵金属铂（Pt）储量低,成本高,易中毒失活,严重限制了燃料电池的大规模应用。因此,开发廉价、高效、稳定的非贵金属催化剂成为研究热点。碳纳米管具有本征sp²杂化结构、优异的导电性、高比表面积、良好的化学稳定性等突出优点,受到广泛关注。本文综述了碳纳米管基非贵金属ORR催化剂的最新进展,主要包括非金属掺杂、过渡金属-氮-碳纳米管、负载过渡金属及其衍生物（氧化物、碳化物、氮化物、硫化物等）、负载单原子、与其他碳材料（石墨烯、多孔碳、碳纳米纤维）复合以及碳纳米管基自支撑电极。最后,对碳纳米管基非贵金属ORR催化剂的研究前景和下一步研究方向进行了展望。     

高活性位点密度Fe-N共掺杂碳纳米片的制备及氧还原性能

从三聚氰胺和均苯四甲酸酐单体出发, 通过熔融盐法合成了三嗪结构聚酰亚胺纳米片, 借助类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)与铁离子的配位作用, 经高温热处理形成了高效掺杂的Fe-N/C催化剂. 研究结果表明, 该催化剂为表面粗糙的纳米片结构, 比表面积高达1794 m²/g. 通过g-C₃N₄的引入和含量的调控, 催化剂中铁元素的掺杂量最高可达1.13%(摩尔分数), 为未引入g-C₃N₄的3.3倍, 其原因可归结于g-C₃N₄配位锚定了铁离子, 其较强的配位作用可以避免高温热处理时铁元素的迁移和聚集. 该催化剂在酸性条件下氧还原反应半波电位为0.79 V, 10000周加速测试后的半波电位衰减了30 mV, 表现出较好的氧还原活性.     

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.     

Mo和W共掺杂对Ru-Se簇合物催化氧还原性能的影响

以过渡金属羰基化合物和硒粉为原料,采用低温回流技术在1,6-己二醇中合成了W和Mo共掺杂的Ru-Mo-W-Se纳米簇合物。利用SEM、XRD和旋转圆盘电极(RDE)技术表征了合成催化剂的形貌、结构和电催化性能。催化剂以六方结构的Rux簇为主相,同时形成无定形相,聚集颗粒高度分散。在氧气饱和的0.5mol·dm-3H2SO4溶液中,Ru-W-Mo-Se催化剂对氧还原反应(ORR)表现出较高的催化活性和稳定性,开路电位为0.90 V(vs.NHE),耐甲醇能力比Ru-Se明显增强。在Tafel电位范围内,催化剂的交换电流密度为4.98×10-4mA·cm-2,具有较好的催化动力学性能。     

Fe-N共掺杂纳米碳材料的形貌对电化学还原反应的影响

众所周知,石墨烯片（GS）和碳纳米管是能源转化和储存应用中有效的催化剂. 然而,过渡金属基氮（N）掺杂的体系中经常形成GS和碳纳米管的复合物,使得该体系内的构效关系研究变得十分困难. 为了可控制备出含有理想物种的催化剂,作者尝试通过利用氮对碳纳米管生长的效应调节生成产物的形貌. 本文中,作者采用一步法制备了一系列Fe-N共掺杂的GS、GS/竹节碳纳米管(BCNTs)复合物及BCNTs催化剂. 为了评估碳形貌对催化剂性能的影响,作者采用氧气还原反应（ORR）及二氧化碳还原反应（CO₂RR）作为模型反应. 电化学测试结果表明,所有的样品当中仅含BCNTs的催化剂表现出最好的ORR活性（起始电位E_onset = 1.02 V_RHE）及CO₂RR活性（CO生成法拉第效率FE_CO = 91.1%,-0.6 V_RHE）. 进一步的研究表明,优异的活性与独特的BCNTs中存在的缺陷、较大的比表面积、高含量的吡啶N及FeN_x相关. 该工作加深了作者对形貌相关的ORR及CO₂RR过程的认识和理解.     

Fe-N Doped Hollow Carbon Nanospheres Linked by Carbon Nanotubes for Oxygen Reduction Reaction北大核心CSCD

The development of non-precious metal catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) is essential for large-scale application of proton exchange membrane fuel cells.Herein, we present the in situ formed Fe-N doped hollow carbon nanospheres linked by carbon nanotubes composite, synthesized by using ZIF-8 as sacrificed template to form polydopamine (PDA) hollow nanospheres, followed by complexing with FeCl3, high temperature heat-treatment and NH3-etching.ZIF-8 was gradually decomposed simultaneously with PDA coating due to the loss of Zn2+ grabbed by PDA.NH3 etching resulted in the improved surface area, while the reducibility of NH3 resulted in the formation of Fe4N nanoparticles, which benefits the ORR activity of the catalyst.The half-wave potential of the as-prepared of PDA-Fe/N/C-NH3 was 0.79 V, only 60 mV lower than that of commercial Pt/C.The stability and methanol tolerance of PDA-Fe/N/C-NH3 were even superior to that of commercial Pt/C, indicating the good potential of PDA-Fe/N/C-NH3 for the application of fuel cells. © 2018 Journal of Electrochemistry. All rights reserved.     

Cross‐Linked Polyphosphazene Hollow Nanosphere‐Derived N/P‐Doped Porous Carbon with Single Nonprecious Metal Atoms for the Oxygen Reduction Reaction

Heteroatom‐doped polymers or carbon nanospheres have attracted broad research interest. However, rational synthesis of these nanospheres with controllable properties is still a great challenge. Herein, we develop a template‐free approach to construct cross‐linked polyphosphazene nanospheres with tunable hollow structures. As comonomers, hexachlorocyclotriphosphazene provides N and P atoms, tannic acid can coordinate with metal ions, and the replaceable third comonomer can endow the materials with various properties. After carbonization, N/P‐doped mesoporous carbon nanospheres were obtained with small particle size (≈50 nm) and high surface area (411.60 m² g^?1). Structural characterization confirmed uniform dispersion of the single atom transition metal sites (i.e., Co‐N₂P₂) with N and P dual coordination. Electrochemical measurements and theoretical simulations revealed the oxygen reduction reaction performance. This work provides a solution for fabricating diverse heteroatom‐containing polymer nanospheres and their derived single metal atom doped carbon catalysts.     

Enhanced Oxygen Reduction and Methanol Oxidation Electrocatalysis over Bifunctional PtPdIr Mesoporous Hollow Nanospheres

Designing and constructing nano‐architectures with abundant reactive atoms exposed on the surface and widely open pore interiors is an effective strategy for highly efficient utilization of Pt‐based catalysts. Herein, we report a facile method to synthesize tri‐metallic PtPdIr mesoporous hollow nanospheres (PtPdIr MHNSs) by selective chemical removal of sacrificial metallic cores from pre‐constructed Pd@PtIr mesoporous nanospheres (Pd@PtIr MNSs). The unique nano‐architectures, with mesoporous shells interconnected into the interior hollow cavities and the synergistic electronic effect from tri‐metallic PtPdIr composition, enable the as‐synthesized PtPdIr MHNSs to be efficient bifunctional electrocatalysts for catalyzing both methanol oxidation reaction (MOR) and oxygen reduction reaction (ORR).     

Cross-Linked Polyphosphazene Hollow Nanosphere-Derived N/P-Doped Porous Carbon with Single Nonprecious Metal Atoms for the Oxygen Reduction Reaction

Heteroatom-doped polymers or carbon nanospheres have attracted broad research interest. However, rational synthesis of these nanospheres with controllable properties is still a great challenge. Herein, we develop a template-free approach to construct cross-linked polyphosphazene nanospheres with tunable hollow structures. As comonomers, hexachlorocyclotriphosphazene provides N and P atoms, tannic acid can coordinate with metal ions, and the replaceable third comonomer can endow the materials with various properties. After carbonization, N/P-doped mesoporous carbon nanospheres were obtained with small particle size (≈50 nm) and high surface area (411.60 m² g⁻¹). Structural characterization confirmed uniform dispersion of the single atom transition metal sites (i.e., Co-N₂P₂) with N and P dual coordination. Electrochemical measurements and theoretical simulations revealed the oxygen reduction reaction performance. This work provides a solution for fabricating diverse heteroatom-containing polymer nanospheres and their derived single metal atom doped carbon catalysts.     

Soft‐Templating Synthesis of N‐Doped Mesoporous Carbon Nanospheres for Enhanced Oxygen Reduction Reaction

The development of ordered mesoporous carbon materials with controllable structures and improved physicochemical properties by doping heteroatoms such as nitrogen into the carbon framework has attracted a lot of attention, especially in relation to energy storage and conversion. Herein, a series of nitrogen‐doped mesoporous carbon spheres (NMCs) was synthesized via a facile dual soft‐templating procedure by tuning the nitrogen content and carbonization temperature. Various physical and (electro)chemical properties of the NMCs have been comprehensively investigated to pave the way for a feasible design of nitrogen‐containing porous carbon materials. The optimized sample showed a favorable electrocatalytic activity as evidenced by a high kinetic current and positive onset potential for oxygen reduction reaction (ORR) due to its large surface area, high pore volume, good conductivity, and high nitrogen content, which make it a highly efficient ORR metal‐free catalyst in alkaline solutions.     

杂原子掺碳材料氧还原催化剂研究进展

开发替代Pt类高活性、低成本的非贵金属燃料电池阴极氧还原催化剂是实现燃料电池商业化的必由之路. 研发催化活性高,稳定性好,价格便宜的非贵金属催化剂是当务之急. 碳纳米材料,尤其杂原子掺杂的碳纳米材料有其独特的结构和催化性能而备受瞩目. 本文结合作者课题组的研究工作,综述了近年杂原子掺杂碳纳米材料催化剂燃料电池阴极氧电催化还原方面的研究进展.     

负载酞菁铁的氮掺杂中空碳球的电催化氧还原性能（英文）

开发低成本、高性能的氧还原反应（ORR）催化剂是当前的研究热点.虽然酞菁铁（FePc）在几十年前就被证明能高效地电催化氧还原反应,但由于其电子传导性和稳定性较差,无法取代商用的Pt/C催化剂.氮掺杂碳材料不仅化学性质稳定、电子传导性好,还有一定的氧还原催化活性.本文首先制备了聚苯乙烯@聚多巴胺球前驱体,经过高温碳化后制得了氮掺杂中空碳球,进而负载酞菁铁后制备了负载酞菁铁的氮掺杂中空碳球复合材料（FePc-NHCS）.通过调整煅烧温度和酞菁铁的负载量,可进一步调控FePc-NHCS的多孔结构、石墨化程度、氮掺杂的种类与含量及酞菁铁的负载状态.优化后的FePc-NHCS在碱性电解质中显示出优异的ORR催化活性,其半波电位和稳定性均高于商用Pt/C催化剂.研究结果表明,掺杂与复合是增强单项催化组分活性的有效途径.此外,通过调控催化剂的结构和组分也能有效地优化催化剂的氧化还原性能.     

碳纳米管负载四硝基金属酞菁-MnO2双催化剂催化氧还原性能

过渡金属酞菁具有很高的氧还原催化活性, MnO₂对氧还原反应有催化作用,但是将过渡金属酞菁和MnO₂作为氧还原反应的双催化剂的研究较少。 本文采用苯酐-尿素法合成了碳纳米管(CNT)负载四硝基金属酞菁(TNMPc)组装体,联合γ-MnO₂作为氧还原反应的双催化剂。 借助循环伏安法对双催化剂的配比进行优化,得到二者的最佳比例。 研究了四硝基金属酞菁的中心金属离子对最佳比例双催化剂催化性能的影响和双催化剂的抗甲醇性能,结果表明,双催化剂对氧还原反应的催化能力主要受到金属离子本性的影响,双催化剂对氧还原反应的催化效率顺序为CNT/TNFePc-MnO₂>CNT/TNCoPc-MnO₂>CNT/TNNiPc-MnO₂>CNT/TNCuPc-MnO₂;4种双催化剂均具有较好的抗甲醇中毒性能。