铜基非贵金属氧还原电催化剂的研究进展

面对日益严重的全球能源危机,燃料电池作为一种清洁的能源转换装置在全世界范围内得到了广泛关注。燃料电池是一种能够使氢气、甲醇、甲酸和乙醇等小分子燃料和氧气发生氧化还原反应,并将其化学能转换为电能的新型装置。在燃料电池中,由于在阴极发生的氧气还原反应动力学速率缓慢而使得燃料电池的整体转换效率过低,目前商用的燃料电池一般采用贵金属铂作为催化剂来加速其反应。但由于铂的价格高昂且在反应过程中易被反应中间产物毒化而活性下降,使得燃料电池的整体成本过高,从而阻碍了燃料电池的实际商业化。为此,人们尝试利用非贵金属催化剂来替代铂基催化剂。找到一种廉价且高效的氧还原催化剂是目前燃料电池发展急需打破的瓶颈问题之一。近年来,人们发现铁、钴、锰等地表储量丰富的金属元素具有较高的氧还原催化活性。然而,作为一种最常见的金属元素,金属铜在氧还原催化剂方面研究较少。人们发现一些生物酶,如虫漆酶、细胞色素c氧化酶等能够高效地催化氧气还原,如虫漆酶在催化氧还原过程中仅表现出约20 mV的过电位,与金属铂(约200 mV)相比基本可忽略。通过研究这些活性生物酶,人们发现其活性中心均为含Cu的物质。进一步研究这些生物酶的活性位点,然后合成不同的铜基纳米材料去模拟酶的活性位点,以期望能够实现经济、高效催化氧还原反应。
　　本文总结了基于铜的纳米材料在催化氧还原方面的研究进展,首先介绍了一些氧还原实验测试中的基本概念,主要包括不同电解质条件下氧还原的反应机理以及常用的测试手段和性能评价指标。氧还原催化剂的性能应该综合活性、稳定性、抗毒化能力以及催化剂成本等多个方面来评价与比较。随后,我们概括性地介绍了铜基氧还原催化剂的发展现状。根据铜基催化剂的不同类型,我们主要分为三个部分进行介绍：(1)铜的复合物,这部分主要从模拟虫漆酶和模拟细胞色素c氧化酶两个方面分类介绍;(2)铜的化合物,这部分主要介绍了不同价态的铜的氧化物和铜的硫化物;(3)其它铜基催化剂,这部分主要介绍基于铜的尖晶石结构、有机框架材料及载体负载的铜纳米粒子作为氧还原催化剂,以及铜作为掺杂元素在提高锰的不同氧化物催化活性中的作用。最后,通过综合分析铜基氧还原催化剂的发展历程以及目前燃料电池的研究进展,我们对基于铜的氧还原催化剂的未来发展方向做了一些展望。继续研究、探索酶的氧还原活性位点以及机理依然是重中之重,只有完全理解了酶的催化机理,才能够很好的设计并合成材料来对其活性位点进行模拟,从而制备出高性能且低成本的铜基氧还原催化剂。希望本文能够使读者认识到燃料电池氧还原催化剂的发展现况,以及铜基氧还原催化剂目前存在的问题及其未来的发展方向。     

氧还原反应前沿与进展

主要介绍氧还原反应的研究意义、反应机理以及研究现状。氧还原反应作为燃料电池的阴极反应,其能否高效进行将直接影响燃料电池的转化效率。目前,氧还原反应的反应机制仍存在较大争议,包括活性位点及反应步骤等。商业碳载铂虽然活性很高,然而其在实际应用中却会受到多方面限制。本文着重介绍了近些年报道的非金属及非贵金属催化剂。非金属及非贵金属催化剂在自然界中资源丰富、价格低廉、制备简单、导电性及稳定性良好,且不会被小分子毒化。所以,对非金属及非贵金属材料的氧还原研究可为新型能源装置的应用提供参考。     

S掺杂Fe-NC单原子催化剂氧还原机理研究

杂原子掺杂的Fe-NC催化剂在氧还原反应中表现出优异的性能.本工作采用密度泛函理论研究了S原子掺杂对Fe-NC单原子催化剂电子结构的调控及促进氧还原反应的作用机理,分析了硫原子掺杂后Fe-NC催化剂的稳定构型,S原子对FeN₄活性位点电子结构的调控,以及氧气的吸附和氧还原反应作用机理.研究结果表明,在FeN₄活性位点周围掺杂少量S原子,可以提高催化剂的稳定性.S原子掺杂提高氧还原性能的机理为：（1）S原子的掺杂降低了催化剂的带隙,提高催化剂导电性,有利于电催化氧还原反应;（2）S原子的掺杂可以提高催化剂吸附氧气的能力,有利于氧还原反应;（3）体系中引入四个S原子可以降低氧还原反应的过电位,提高FeN₄位点催化氧还原反应的活性.这项工作可能为基于碳材料的单原子催化剂上杂原子掺杂的调控提供新的思路.     

碳基非贵金属氧还原催化剂活性位点的研究进展

铂基催化剂是目前氢氧燃料电池中实际应用的阴极氧还原催化剂,由于铂昂贵的价格以及稀缺性,开发非贵金属氧还原催化剂对于氢氧燃料电池的规模化应用非常必要.碳基非贵金属氧还原催化剂,包括金属-氮掺杂碳(M–N–C)材料和非金属杂原子掺杂碳材料,是目前最重要也是研究最广泛的两类非贵金属氧还原催化剂.对其活性位点的认知是研究热点之一,也是明显提高性能和宏量制备的关键所在.对于金属-氮掺杂碳催化剂,目前受到广泛认可的活性位点包括:M–N_x/C(x=1,2,3,4)、Nx–C、包覆的纳米金属粒子活化的碳层等.对于非金属杂原子掺杂碳材料(如氮掺杂碳材料),氮原子毗邻的碳原子一般被认为是活性位点.但由于原料本身、制备过程等因素,可能引入痕量的金属元素,严格意义上的非金属杂原子掺杂碳材料难以制备,使得明确其活性位点非常困难.结合本研究组在该领域的工作,本文介绍了当前上述两类催化剂在研究方面的进展,总结分析了几种对活性位点探索和确认的主流认识,以期有助于碳基非贵金属氧还原催化剂的进一步研究.     

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。     

单核铁-氧和锰-氧加合物研究进展

生物体系中,金属酶活化氧气进而参与新陈代谢相关的各种氧化反应,可高效实现有机化合物氧化反应.因此,揭示金属酶的循环机理,对发展清洁高效的催化氧化反应具有重要的指导意义.金属酶的循环过程通常会形成一系列的金属-氧加合物,如金属超氧、过氧、过氧化氢、氧及羟基等物种.由于生物体的酶循环过程十分复杂,所形成的高活性的金属-氧加合物极难捕捉和表征.为此,化学家开展了生物酶的仿生模拟研究,即用化学的方法仿照酶的活性位点构建具有类似配位环境的金属中心,获得人工合成的各种金属-氧加合物,进而了解其结构与活性.本文以近年来单核铁-氧和锰-氧加合物取得重要进展为背景,举例说明金属酶活化氧气所涉及的金属-氧加合物,并重点从结构及活性等方面总结了模拟酶的金属-氧加合物的研究进展.     

均苯四甲酰亚胺桥联的聚酞菁亚铁的氧还原反应

用密度泛函方法研究了一种均苯四甲酰亚胺桥联的聚酞菁亚铁的氧还原反应. 设计了三个模型分子以研究此催化剂在不同聚合度时的氧还原催化反应性能. 使用BP86 泛函和SVP基组进行构型优化得到模型分子及其氧气复合物的电子和分子结构. 此催化剂中心的铁原子和氧气以双键结合并发生电荷转移时, 氧气被还原. 这证明此催化剂具有良好的催化氧还原能力. 通过前沿轨道分析以及模型分子氧气复合物稳定性分析证实, 具有较高聚合度和较强吸电子取代基的催化剂具有更好的氧还原活性. 催化剂的催化性能通过一个电催化循环来实现. 在此循环过程中, 氧气结合氢离子被还原为水, 因此此催化剂需要在酸性介质中使用.     

金属/非金属元素掺杂提升原子级分散碳基催化剂的氧还原性能

原子级别分散的过渡金属和氮共掺杂碳基催化剂(M-N_x-C)具有反应活性好、选择性高、制备容易等优点,被认为是最有可能取代价格昂贵的铂催化剂用作燃料电池阴极的一类非贵金属催化剂。然而,该类催化剂在阴极侧氧还原反应过程中存在活性位点密度较低、耐久性不足的问题制约了其在燃料电池中的实际应用。研究表明,通过多种金属/非金属元素的掺杂调控活性位点的电子结构与空间构型可显著提升M-N_x-C催化剂的氧还原活性和稳定性,已成为掺杂碳基催化剂领域的热门研究课题。本文综述了近年来国内外在多种金属/非金属元素掺杂提升M-N_x-C碳基催化剂性能方面的主要研究工作,包括金属元素掺杂、非金属元素掺杂等研究。文章进一步总结和指出了M-N_x-C碳基催化剂面临的问题及挑战,并对其发展前景和未来研究方向进行了展望。     

燃料电池电极表界面催化氧还原反应的STM研究进展

催化氧还原反应的电催化剂是燃料电池的一个重要组成部分. 从分子尺度研究催化氧还原反应中所涉及的表界面反应机理,不仅有利于深入理解催化机理,更有利于指导人们合理地设计新型的电催化剂. 本文结合近年来国内外的研究工作,概述了通过扫描隧道显微镜研究燃料电池内部催化氧还原反应过程中所涉及的表面形貌变化、单分子结构变化、中间体的观测以及反应产物调控等方面最新进展,并展望了该研究领域的发展趋势.     

质子交换膜燃料电池阴极非贵金属M-Nx/C型氧还原催化剂研究进展

氧还原反应(ORR)是燃料电池能量转换的关键步骤,开发高性能低成本的催化剂以替代铂族贵金属是推动燃料电池商业化的重要途径。本文综述了质子交换膜燃料电池非贵金属M-N_x/C型催化剂的最新研究进展,概括了氧还原反应的基础理论,系统展示了先进表征技术对活性位点鉴定和反应机理研究的作用,总结了M-N_x/C型催化剂近年来的代表工作和活性突破,阐述了稳定性问题的根源及对应的方案策略,我们认为M-N_x/C型催化剂未来的发展方向是理性设计具高位点密度和高稳定性的催化剂。     

聚芳酰胺-多壁碳纳米管混合物固定漆酶电极的电化学行为

以聚芳酰胺-多壁碳纳米管混合物为载体,利用漆酶表面氨基与聚芳酰胺主链端羧基的共价偶联以及碳纳米管与漆酶间的疏水作用,构筑了具有较高稳定性和电催化活性的漆酶修饰电极.并对该固酶修饰电极的固酶量、酶活力、电化学行为及其电催化氧还原的性能进行了表征.对漆酶分子具有亲和力的聚芳酰胺芳环结构及聚芳酰胺端羧基与漆酶表面氨基的共价偶联避免了漆酶的脱落和变性.而碳纳米管与聚芳酰胺的混合使得该三维修饰电极具有良好的电子导电性,并成功地实现了漆酶的氧化还原活性位与电极之间的直接电荷转移,这一点可由在0.73和0.38V附近观察到漆酶的T1和T2(漆酶的T1,T2铜活性位的形式电位分别为0.78和0.39V(vsNHE))铜活性位的两对氧化还原峰确认.漆酶的担载量为56.0mg·g-1,具有电化学活性的漆酶占总担载漆酶量的68%.在pH=4.4磷酸盐缓冲溶液中,该修饰电极上氧气还原的起始电位为0.55V,其对氧气的米氏常数KM为55.8μmo·lL-1,对氧气的检测限为0.57μmo·lL-1.在4℃下保存两个月后能实现直接电荷转移的漆酶量仅下降了14%左右而氧还原超电势提高了约50mV.结果表明该修饰电极有望用作酶基生物燃料电池的阴极和电流型氧气传感器.     

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.     

漆酶的生物电化学研究

漆酶属于蓝多铜氧化酶家族,在自然界尤其是真菌中广泛存在.漆酶在催化多种底物氧化的同时,伴随氧一步四电子直接还原生成水,铜离子活性中心作为辅助基团,参与电子传递过程.漆酶这一良好的电化学特性使其成为生物阴极的理想催化剂.本文综述了漆酶作为具有生物活性的氧化还原蛋白质在电化学领域的研究情况,从漆酶的结构及来源、生物电催化反...     

三元合金氧还原电催化剂

质子交换膜燃料电池作为重要的电化学能源转换装置,在提高能量转换效率、减少环境污染等方面具有诱人的前景.然而,阴极氧还原过电位较大、活性较低、稳定性差,且铂基催化剂昂贵,使该燃料电池难以商业化.纳米结构电催化剂的发展有望解决此难题。对纳米合金电催化剂其组分和结构的设计是开发高活性、高稳定性和低成本的燃料电池电催化剂的重要因素.本文综述了近期由分子设计和热化学控制处理法制备的三元纳米合金电催化剂对燃料电池氧还原反应催化性能的最新进展.该方法可控制纳米合金的尺寸、组成以及二元和三元纳米催化剂的合金化程度.以高活性的三元纳米合金催化剂PtNiCo/C为例,综述了在设计燃料电池电催化剂时结构和组成的纳米级调优的重要性.PtNiCo/C电催化剂的质量比活性远高于其二元合金催化剂和Pt/C商业电催化剂.三元电催化剂的催化活性可通过控制其组成来调节.文章还讨论了三元纳米合金催化剂的结构及其协同效应对增强其电催化性能的影响.     

聚苯胺衍生Fe-N-C催化剂在碱性电解质中对氧还原反应的催化性能

经过热解聚苯胺、碳和FeCl₃的混合物制备的Fe-N-C材料在酸性电解质中对氧还原反应表现出高的催化活性;由于材料中不存在任何贵金属, 因而被认为是一类新型非贵金属氧还原催化剂. 然而这类催化剂在碱性电解质中催化氧还原反应的性能如何尚不清楚. 本文使用旋转圆盘电极技术考察了制备的两个Fe-N-C催化剂在KOH水溶液中催化氧还原反应性能, 发现这两个催化剂表现出比无金属的N掺杂碳材料更高的活性. 与商业Pt/C催化剂相比, 它们催化氧还原反应的起始电势和半波电势分别仅低60和40 mV左右, 计时电流测试表明, 它们比Pt/C催化剂显示出更好的稳定性. 此外, 在这两个Fe-N-C催化剂上的氧还原反应主要遵循四电子途径. 本工作显示, Fe-N-C材料有望用于碱性燃料电池氧还原反应催化剂.     

复合仿生催化体系的构建与高效有氧氧化芳基烷烃

直接活化氧气氧化碳氢化合物是件挑战性的研究工作。根据生物酶很容易在温和条件下实现上述反应,以Keggin-型杂多酸[CuPW_(11)O_(39)]5-(简写为CuPW_(11))与金属-有机框架材料HKUST-1形成的复合材料Cu PW_(11)@HKUST-1为催化剂,以N-羟基邻苯二甲酰亚胺为助催化剂,构建模拟酶催化氧化反应体系。其中,CuPW_(11)@HKUST-1中的杂多酸作为氧化还原中心,N-羟基邻苯二甲酰亚胺作为电子供体。该复合模拟酶催化体系在催化活化氧气氧化芳基烷烃的反应中表现出了类似生物酶催化的性质,具有反应条件温和、转化率高、转化数高和选择性高等特点,其中产物产率与转化数分别高达99%和17700,为实现在温和条件下高效活化氧气氧化惰性有机物分子提供了一条切实可行的路线。     

利用高空间分辨针尖增强拉曼散射识别氮掺杂富勒烯催化的氧还原反应中间体（英文）

氮掺杂富勒烯(C₅₉N)催化剂在氢燃料电池的氧还原反应中表现出良好的活性.然而,C₅₉N上发生的氧还原反应路径的中间体和催化活性位点尚未被直接表征,阻碍了对C₅₉N催化剂在氧还原反应中活性增强机制的理解.本文通过在模拟计算中考虑空间限制等离子体的不均匀分布,从理论上提出高空间分辨针尖增强拉曼散射可以有效地识别C₅₉N上氧还原反应的不同中间体构型.通过调整聚焦的空间限制等离子体位置,氧还原反应中与O₂-C₅₉N相互作用有关联的振动模式可以被高空间分辨针尖增强拉曼散射光谱直接选择出来,并且得到增强.此外,选择出来的振动模式对应的高空间分辨针尖增强拉曼散射图像在吸附位点周围给出了拉曼热点,提供了氧还原反应在C₅₉N上催化活性位点的原位观测细节.这些发现为今后通过高分辨率高空间分辨针尖增强拉曼散射技术在分子尺度上探索催化系统提供了良好的参考.     

氮掺杂纳米碳块的制备及氧还原的高电化学催化活性（英文）

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2h,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60nm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–NH_2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-0.05V(vsAg/AgCl),氧气的还原电位是0.20V(vsAg/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-0.3to-0.8V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-0.2V下对NCNBs-800与Pt/C进行了稳定性测试.结果表明,在2500s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.     

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.     

表面修饰型铂基氧还原电催化剂研究进展

氧气还原反应是燃料电池中的重要电极反应,但其动力学过程非常迟缓,需高度依赖资源稀缺、价格高昂的贵金属Pt。加之Pt基催化剂还面临着实际工况下耐久性不足的问题,这些都严重阻碍了燃料电池的产业化进程。对Pt基纳米催化剂进行表面功能化修饰可有效优化和提升其氧还原活性和稳定性。本文综述了最近几年表面修饰型Pt基氧还原催化剂的最新研究,着重探讨了表面修饰物的选择、表面修饰的手段和策略以及表面修饰前后对催化剂氧还原性能的影响,并指出该类型催化剂未来发展方向。