分级骨架和多层的Pt-Ni纳米晶体用于高效氧还原和甲醇氧化反应

燃料电池是电动汽车和电子设备最有前途的清洁能源之一.Pt催化剂在氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)中的电催化性能对电池系统的能源效率和电池的价格起着至关重要的作用,因此设计高效的电催化剂以最大限度地提高铂的利用率,从而增强电催化效果、降低成本,已经成为燃料电池发展的一个重要方向.早期的研究表明,铂基催化剂可以有效地提高电催化性能,并且它们的组成和形貌被认为是影响催化剂活性的两个关键因素.至今,已合成出各种各样的Pt基催化剂,如Pt-Pb/Pt核壳纳米盘、Pt3Co凹面立方体、Pt-Cu-Rh纳米笼、Pt-Pd纳米枝晶等,其中纳米枝晶结构的催化剂表现出很好的氧还原性能,其高效的催化活性被认为是暴露出的较高的比表面积促进了电子转移以及拥有较多的Pt活性位点.本文采用简单的溶剂热法合成了具有大比表面积的Pt-Ni分层骨架结构(Pt-Ni HSNs)催化剂,为了验证反应物所起的作用,通过收集不同反应时间下的产物和控制单一变量,我们发现在合成配方中加入H2SO4是此类Pt-Ni纳米晶体成功生长的关键触发因素.在H2SO4的诱导下,Pt和Ni原子倾向于沉积在(111)面,促使Pt-Ni合金沿晶面方向生长为八面体结构,在此过程中发生了粒子自组装成长以及相分离过程,最后我们用酸蚀法制造了Pt-Ni HSNs,并通过TEM,XRD和XPS表征其微观结构及组成,证实了Pt-Ni HSNs已经形成合金结构.在酸性条件下,Pt-Ni HSNs在ORR反应中展示出比商业Pt/C更好的活性.在0.9 V时的质量活性为1.25 A mgpt–1,是商业Pt/C质量活性的8.9倍,并且在10000圈的耐久性测试中,Pt-Ni HSNs的质量活性仅仅损失了21.6％,远低于Pt/C损失的活性比例.Tafel曲线和旋转环盘测试结果表明,Pt-Ni HSNs在ORR反应中发生的是4电子过程,证实了它的高活性.另外,在酸性溶液中,Pt-Ni HSNs表现出了比商业Pt/C更好的MOR催化活性,且抗CO中毒能力更强.这可归因于两点:(1)Pt-Ni HSNs是由多个小颗粒组装而成,大大提高了与电解液的接触面积;(2)它独特的骨架结构减少了颗粒间团聚的可能性,有利于质子的转移.本文为设计先进的铂基电催化剂提供了一种新的自组装方法.     

分级骨架和多层的Pt-Ni纳米晶体用于高效氧还原和甲醇氧化反应（英文）

燃料电池是电动汽车和电子设备最有前途的清洁能源之一.Pt催化剂在氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)中的电催化性能对电池系统的能源效率和电池的价格起着至关重要的作用,因此设计高效的电催化剂以最大限度地提高铂的利用率,从而增强电催化效果、降低成本,已经成为燃料电池发展的一个重要方向.早期的研究表明,铂基催化剂可以有效地提高电催化性能,并且它们的组成和形貌被认为是影响催化剂活性的两个关键因素.至今,已合成出各种各样的Pt基催化剂,如Pt-Pb/Pt核壳纳米盘、Pt3Co凹面立方体、Pt-Cu-Rh纳米笼、Pt-Pd纳米枝晶等,其中纳米枝晶结构的催化剂表现出很好的氧还原性能,其高效的催化活性被认为是暴露出的较高的比表面积促进了电子转移以及拥有较多的Pt活性位点.本文采用简单的溶剂热法合成了具有大比表面积的Pt-Ni分层骨架结构(Pt-NiHSNs)催化剂,为了验证反应物所起的作用,通过收集不同反应时间下的产物和控制单一变量,我们发现在合成配方中加入H_2SO_4是此类Pt-Ni纳米晶体成功生长的关键触发因素.在H_2SO_4的诱导下, Pt和Ni原子倾向于沉积在(111)面,促使Pt-Ni合金沿晶面方向生长为八面体结构,在此过程中发生了粒子自组装成长以及相分离过程,最后我们用酸蚀法制造了Pt-NiHSNs,并通过TEM, XRD和XPS表征其微观结构及组成,证实了Pt-NiHSNs已经形成合金结构.在酸性条件下, Pt-NiHSNs在ORR反应中展示出比商业Pt/C更好的活性.在0.9 V时的质量活性为1.25 A mgpt~(-1),是商业Pt/C质量活性的8.9倍,并且在10000圈的耐久性测试中, Pt-NiHSNs的质量活性仅仅损失了21.6%,远低于Pt/C损失的活性比例.Tafel曲线和旋转环盘测试结果表明, Pt-NiHSNs在ORR反应中发生的是4电子过程,证实了它的高活性.另外,在酸性溶液中, Pt-NiHSNs表现出了比商业Pt/C更好的MOR催化活性,且抗CO中毒能力更强.这可归因于两点:(1) Pt-Ni HSNs是由多个小颗粒组装而成,大大提高了与电解液的接触面积;(2)它独特的骨架结构减少了颗粒间团聚的可能性,有利于质子的转移.本文为设计先进的铂基电催化剂提供了一种新的自组装方法.     

Pt-TiO2/Graphene催化剂的氧还原和甲醇氧化电催化性能研究

以二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛（TBA）和氧化石墨烯（GO）为前驱体,通过水热法合成出不同TiO₂含量的TiO₂/Graphene（TiO2/G）复合材料,随之用微波醇热法还原Pt前驱体可得Pt-TiO₂/G催化剂. 实验结果表明,TiO₂可与Pt相互作用,添入适量TiO₂的Pt-TiO₂/G催化剂具有较高的氧还原电催化活性及甲醇氧化的电催化活性与稳定性. 但TiO₂电导率偏低,过量TiO₂的添入反而使其电催化性能降低.     

高质量和深度凹陷的PtPdNi纳米立方体作为高效氧还原反应的催化剂

聚合物电解质燃料电池阴极上的氧还原反应需要使用铂基催化剂,铂是地球上的贵金属之一.采用将不同的金属优化到核心中等多种策略可提高铂基催化剂的活性,从而降低铂的负载量.通过致力于高催化活性Pt2.7Pd0.3Ni凹面立方结构与高指数晶面的复合,表明凹面结构可以提供更多的活性位和高水平的催化活性,如果与其他金属复合,可以降低...     

甲醇浓度对Pt/C催化剂氧还原活性的影响

采用半池考察了Pt/C催化剂在含不同浓度甲醇的0.5mol/L硫酸中的氧还原活性(ORR).研究发现,当甲醇浓度为0.1mol/L时,Pt/C催化剂的ORR活性最高,在催化层上热压商品NafionNRE-212膜后也出现同样趋势.线性扫描伏安曲线显示,压膜前后的Pt/C催化剂的ORR活性在含0.1mol/L甲醇的0.5mol/L硫酸中几乎没有变化.电化学阻抗谱结果表明,在该溶液中,Nafion膜的电阻比在其它电解液中低,这可能是导致Pt/C催化剂ORR活性提高的主要原因.有必要关注Nafion膜的这一异常性质并通过特殊设计后用于电池堆,以提高燃料电池性能.     

耐甲醇氧还原催化剂四苯基卟啉-铂的研究

直接甲醇燃料电池;燃料电池;耐甲醇氧还原催化剂四苯基卟啉-铂的研究     

电沉积制备的PtNi纳米粒子用于氧还原反应:成核和生长机理

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)电堆中阴极Pt基催化剂的高用量造成其成本居高不下,成为阻碍燃料电池汽车商业化推进的重要原因,因此开发低Pt、高活性的Pt基催化剂势在必行.Pt合金催化剂能够有效地降低Pt用量,并通过对合金颗粒的元素比例、晶面、粒径等实行精确调控,显著提升氧还原(ORR)催化活性.然而,目前常用的制备方法由于原料与制备成本高昂、过程复杂大都难以适应规模化生产需求.电化学方法通过控制施加的电流或电位控制晶体生长.在水体系中该方法已得到验证,但由于Pt化合物的热力学标准电极电位与过渡金属元素之间相差较大,且对于过渡金属来说,电负性大多小于铂,因此还原电位通常负于析氢电位,使得二者难以实现共沉积.有机体系中电位窗口比水体系大得多,Pt与电位较负的过渡金属可实现共沉积,采用小分子有机溶剂也可避免溶剂清洗问题,具有应用潜力.本文提出了一种简单的一步电沉积方法,选择易溶于水的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂,将碳载体滴涂到玻碳电极上作为工作电极,通过电化学方法直接将Pt-Ni合金沉积到碳载体上,并利用物化表征与密度泛函理论(DFT)理论计算来探究共沉积机理.透射电镜表征结果表明,在不同的沉积电位下均可得到分散均匀、粒径适当的催化剂;且随着电位值降低,催化剂颗粒分散得更均匀,颗粒粒径不断减小.元素分布和晶面结果表明,铂镍元素均匀分布于颗粒中.所有样品均表现出优异的ORR性能,最高的面积比活性达到商业催化剂的6.85倍.将材料表征、电化学表征与DFT计算结合,建立起了铂镍合金生长过程的模型,并发现了有机体系中独特的成核-生长机理.将体系中的DMF换成超纯水,用同样的方法进行沉积,得到的催化剂颗粒团聚严重,说明DMF的使用能够避免颗粒团聚.在单独铂的体系中沉积发现,负载量极小,表明体系中镍前驱体的添加对于催化剂的沉积过程起到重要作用.电化学表征结果表明,在所选用的DMF有机体系中,镍的还原电位与铂的十分接近,但还原动力学更慢,趋向于先形成吸附原子后快速还原.由此可以推测,在二者合金的形成过程中,镍在碳载体表面的缓慢还原而形成的吸附原子能够成为铂还原的活性位点,从而降低了铂还原成核所需的能量,使得载体上的成核位点大大增加,这与DFT模拟结果一致.DFT建立了碳上镍的位点和铂的位点,分别在上面进行铂的还原,发现镍位点上比铂位点上更容易实现铂沉积.本文提出了铂镍共沉积的机理:在过电位(即还原能量)下,铂的还原动力学较镍稍快,于是铂先还原形成晶核,但难以达到生长的临界半径,于是单独铂体系中的沉积负载量很少.载体上还原的镍为铂还原提供了大量的活性位点,促进了铂还原,并与镍共沉积.Pt-Ni表面则进一步促进了铂的沉积和颗粒的生长.综上,本文提出了一种用于制备铂合金催化剂的有机电沉积体系,实现了单分散的碳载铂镍合金催化剂的一步制备.随后,本文将材料表征、电化学表征与DFT计算相结合,建立起了有机体系中铂镍合金成核-生长过程的机理模型.     

电沉积制备的PtNi纳米粒子用于氧还原反应:成核和生长机理

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)电堆中阴极Pt基催化剂的高用量造成其成本居高不下,成为阻碍燃料电池汽车商业化推进的重要原因,因此开发低Pt、高活性的Pt基催化剂势在必行.Pt合金催化剂能够有效地降低Pt用量,并通过对合金颗粒的元素比例、晶面、粒径等实行精确调控,显著提升氧还原(ORR)催化活性.然而,目前常用的制备方法由于原料与制备成本高昂、过程复杂大都难以适应规模化生产需求.电化学方法通过控制施加的电流或电位控制晶体生长.在水体系中该方法已得到验证,但由于Pt化合物的热力学标准电极电位与过渡金属元素之间相差较大,且对于过渡金属来说,电负性大多小于铂,因此还原电位通常负于析氢电位,使得二者难以实现共沉积.有机体系中电位窗口比水体系大得多,Pt与电位较负的过渡金属可实现共沉积,采用小分子有机溶剂也可避免溶剂清洗问题,具有应用潜力.本文提出了一种简单的一步电沉积方法,选择易溶于水的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂,将碳载体滴涂到玻碳电极上作为工作电极,通过电化学方法直接将Pt-Ni合金沉积到碳载体上,并利用物化表征与密度泛函理论(DFT)理论计算来探究共沉积机理.透射电镜表征结果表明,在不同的沉积电位下均可得到分散均匀、粒径适当的催化剂;且随着电位值降低,催化剂颗粒分散得更均匀,颗粒粒径不断减小.元素分布和晶面结果表明,铂镍元素均匀分布于颗粒中.所有样品均表现出优异的ORR性能,最高的面积比活性达到商业催化剂的6.85倍.将材料表征、电化学表征与DFT计算结合,建立起了铂镍合金生长过程的模型,并发现了有机体系中独特的成核-生长机理.将体系中的DMF换成超纯水,用同样的方法进行沉积,得到的催化剂颗粒团聚严重,说明DMF的使用能够避免颗粒团聚.在单独铂的体系中沉积发现,负载量极小,表明体系中镍前驱体的添加对于催化剂的沉积过程起到重要作用.电化学表征结果表明,在所选用的DMF有机体系中,镍的还原电位与铂的十分接近,但还原动力学更慢,趋向于先形成吸附原子后快速还原.由此可以推测,在二者合金的形成过程中,镍在碳载体表面的缓慢还原而形成的吸附原子能够成为铂还原的活性位点,从而降低了铂还原成核所需的能量,使得载体上的成核位点大大增加,这与DFT模拟结果一致.DFT建立了碳上镍的位点和铂的位点,分别在上面进行铂的还原,发现镍位点上比铂位点上更容易实现铂沉积.本文提出了铂镍共沉积的机理:在过电位(即还原能量)下,铂的还原动力学较镍稍快,于是铂先还原形成晶核,但难以达到生长的临界半径,于是单独铂体系中的沉积负载量很少.载体上还原的镍为铂还原提供了大量的活性位点,促进了铂还原,并与镍共沉积.Pt-Ni表面则进一步促进了铂的沉积和颗粒的生长.综上,本文提出了一种用于制备铂合金催化剂的有机电沉积体系,实现了单分散的碳载铂镍合金催化剂的一步制备.随后,本文将材料表征、电化学表征与DFT计算相结合,建立起了有机体系中铂镍合金成核-生长过程的机理模型.     

取代苯基—异喹啉基甲醇的还原和氧化反应

中药青风藤中的微量生物碱——青藤定（Ｓｉｎｏｍｅｎｄｉｎｅ）具有阿朴啡类结构［１］。在合成青藤定的过程中，需将２，３二甲氧基６溴苯基１’（５’甲氧基异喹林）甲醇（ｌａ）关环制备化合物（２）。当用光化学方法［２，３］进行中压汞灯照射下的反应时，没有得到预期产物（２）。反应后除回收原料外分离到一个Ｒｆ值较大的化合物（３）。ＩＲ谱鉴定表明化合物（３）的结构中无羟基峰。进一步的鉴定证明该化合物是原料（ｌａ）中羟基被氢原子置换的产物。结构为１（２’，３’二甲氧基６’溴苯甲基）５…     

氧化还原对Lindqvist型多金属氧簇复合物自组装的动态调控

Dynamic regulation of self-assembly is of vital importance in chemistry, biology and material science thanks to its great potential for development of smart materials and devices. Polyoxometalates (POMs) are a class of functional inorganic nanoclusters, which has become one of the excellent building blocks for supramolecular self-assemblies, especially when covalently or non-covalently modified by organic species. As typical stimuli-responsive functional clusters, the POMs could be photochemically or electrochemically reduced to mixed-valence states, of which the structural integrity remains even after encountering stepwise multi-electron redox process. The intriguing photochromism of the POMs in different states exhibits distinct photophysical properties, which motivates us to exploit the dynamic self-assemblies of POM-based complexes. The divalent Lindqvist-type hexamolybdate cluster [Mo₆O₁₉]^2- is one of the least negative-charged POMs, which is the ideal building blocks to construct novel assembly structures. Based on this motivation, herein, a single chain surfactant-encapsulated polyoxometalate (POM) complex (ODTA)₂[Mo₆O₁₉] was prepared by simple counterion replacement of Lindqvist-type (TBA)₂[Mo₆O₁₉] with octadecyltrimethylammonium (ODTA) in acetonitrile solution. The structure of the POM complex was confirmed by ¹H nuclear magnetic resonance (NMR), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA) and elemental analysis. The solution of complex (ODTA)₂[Mo₆O₁₉] in the mixed solvents of acetonitrile and isopropanol with the volume ration of 4 to 1 exhibited reversible photochromism upon alternate UV light irradiation and air exposure. Upon UV light irradiation, the light yellow transparent solution of (ODTA)₂[Mo₆O₁₉] turned into blue quickly. The new broad absorption band appearing at ca.751 nm assigned to the Mo^V → Mo^VI intervalence charge-transfer (IVCT) transition, indicated the formation of reduced POM, as revealed by UV-Vis absorption spectra. After exposed to air, the blue solution was bleached. The alternate photochromism could be conducted for multiple cycles. Helical self-assembled morphology of (ODTA)₂[Mo₆O₁₉] was formed in acetonitrile/isopropanol, characterized by scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD) methods. More interestingly, morphology transformation of the complex from helical strips to spherical assemblies occurred accompanied by photochromism occurrence. The morphology evolution during the photochromism process experienced from shortened helical strips through sea urchin-like aggregates to spherical assemblies. Most significantly, the helical assemblies could be recovered again after air oxidation, implying the reversible morphology transformation driven by redox stimulus. The redox-modulated reversible self-assembly is driven by the variation of electrostatic attraction between organic cations and inorganic anions as well as the electrostatic repulsion between inorganic ionic clusters, proved by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ¹H NMR spectra. The results will contribute to better understanding the mechanism of dynamic assemblies and inspire the precise fabrication of advanced smart materials.     

V2CO2 MXene负载过渡金属单原子催化剂氧还原和氢氧化活性的DFT研究

开发廉价且高性能的电催化剂对推动燃料电池的商业应用具有重要意义.二维(2D) MXenes和单原子(SAs)催化剂是催化研究中的两个前沿领域.2D MXenes材料具有独特的几何和电子结构,能够有效调节负载SAs的催化性能.而负载的SAs又会反过来影响2D MXenes材料的本征活性,使2D MXenes形成更加丰富的活性位,进而提升其催化性能.为了拓展2D负载SAs催化剂在燃料电池中的应用,本文采用密度泛函理论(DFT)计算,系统地研究了V2CO2 MXenes负载过渡金属(TM,包括一系列3d、部分4d和5d金属)SAs催化剂的稳定结构、电子结构及其催化氧还原(ORR)和氢氧化(HOR)的催化活性,并筛选出潜在的可替代贵金属铂的ORR/HOR的双功能催化剂.稳定结构计算结果表明,3d TM SAs倾向于以锚定的形式负载于V2CO2表面与O原子作用,而4d,5d TM原子倾向于以掺杂的形式负载于含氧空穴的V2CO2表面与V原子作用;同时,Sc,Ti,V,Rh,Pd,Pt,Ag和Au SAs在V2CO2表面因具有较高扩散能垒,不易团聚,具有较高的热力学稳定性.电子结构计算结果表明,锚定型的TM SAs与O形成共价键,伴随发生明显的电荷转移,带较多正电荷;掺杂型的TM SAs与V形成金属键,因TM-V和V-O键间电荷转移的协同影响,导致TM SAs仅带有少量的电荷.TM-V2CO2电子结构与ORR/HOR中间物种的吸附关系为,TM位点为ORR中间物种(O,OH和OOH)的吸附位点,且d电子数为1、5、10的TM比其他TM对ORR物种的吸附更弱;而TM-V2CO2表面的O原子为HOR中间物种(H)的有效吸附位点,且H的吸附强弱与O位点的电荷有关,即O位点负电荷越多,对H的吸附越弱.TM-V2CO2催化剂各活性位对ORR和HOR反应物种的选择性吸附结果表明,催化剂有利于形成丰富多样的活性位,并具备作为双功能催化剂的内在优势.TM-V2CO2催化剂ORR和HOR理论活性筛选发现:与Pt(111)相比,Sc-、Mn-、Rh-和Pt-V2CO2具有较高的ORR活性,而Sc-、Ti-、V-、Cr-和Mn-V2CO2表现出较高的HOR活性.其中,Sc-V2CO2和Mn-V2CO2因同时具有较高的ORR和HOR活性和稳定性,有望成为高效和低成本的燃料电池双功能催化剂.本文从研究TM-V2CO2性质和活性出发,深入研究了SAs与2D MXenes间相互作用及其对ORR与HOR催化活性的影响机制,筛选出了高效、低成本的ORR/HOR双功能催化剂,为合理设计燃料电池双功能催化剂提供了理论指导.     

Recent advances in tuning redox properties of electron transfer centers in metalloenzymes catalyzing the oxygen reduction reaction and H2 oxidation important for fuel cell design

Current fuel cell catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) and H₂ oxidation use precious metals and, for ORR, require high overpotentials. In contrast, metalloenzymes perform their respective reactions at low overpotentials using earth-abundant metals, making metalloenzymes ideal candidates for inspiring electrocatalytic design. Critical to the success of these enzymes are redox-active metal centers surrounding the active site of the enzyme. These electron transfer (ET) centers not only ensure fast ET to or away from the active site, but also tune the catalytic potential of the reaction as observed in multicopper oxidases as well as playing a role in dictating the catalytic bias of the reaction as realized in hydrogenases. This review summarizes recent advances in studying these ET centers in multicopper oxidases and heme-copper oxidases that perform ORR and in hydrogenases carrying out H₂ oxidation. Insights gained from understanding how the reduction potential of the ET centers affects reactivity at the active site in both the enzymes and their models are provided.     

One-step synthesis of carbon-supported Pd–Pt alloy electrocatalysts for methanol tolerant oxygen reduction

A facile, one-step reduction route was developed to synthesize Pd-rich carbon-supported Pd–Pt alloy electrocatalysts of different Pd/Pt atomic ratios. As-prepared Pd–Pt/C catalysts exhibit a single phase fcc structure and an expansion lattice parameter. Comparison of the oxygen reduction reaction (ORR) on the Pd–Pt/C alloy catalysts indicates that the Pd₃Pt₁/C bimetallic catalyst exhibits the highest ORR activity among all the Pd–Pt alloy catalysts and shows a comparative ORR activity with the commercial Pt/C catalyst. Moreover, all the Pd–Pt alloy catalysts exhibited much higher methanol tolerance during the ORR than the commercial Pt/C catalyst. High methanol tolerance of the Pd–Pt alloy catalysts could be attributed to the weak adsorption of methanol induced by the composition effect, to the presence of Pd atoms and to the formation of Pd-based alloys.     

PtCeOx/C as a novel methanol-tolerant electrocatalyst of oxygen reduction for direct methanol fuel cells

A prominent methanol-tolerant characteristic of the PtCeO_x/C electrocatalyst was found during oxygen reduction reaction process. The carbon-supported platinum modified with cerium oxide (PtCeO_x/C) as cathode electrocatalyst for direct methanol fuel cells was prepared via a simple and effective route. The synthesized electrocatalysts were characterized by X-ray diffraction and transmission electron microscopy. It was found that the cerium oxide within PtCeO_x/C present in an amorphous form on the carbon support surface and the PtCeO_x/C possesses almost similar disordered morphological structure and slightly smaller particle size compared with the unmodified Pt/C catalyst.     

Transition metal coordinated framework porphyrin for electrocatalytic oxygen reduction

A series of transition metal coordinated framework porphyrin was evaluated regarding the electrocatalytic oxygen reduction reactivity for an optimized selection of the coordinated metal ion.     

Spin polarisation in dual catalysts for the oxygen evolution and reduction reactions

Strongly correlated catalysts can be understood from precise quantum approximations. Incorporating properly electronic correlations thus let’s define Spin rules in catalysis, opening a new door towards optimum compositions for the most important reactions for a sustainable future.     

简便方法制备氮掺杂的碳球用作高效非金属氧还原催化剂（英文）

随着人们环保意识的不断增强,社会对清洁能源的需求也日益增加.燃料电池具有效率高,燃料来源丰富,可直接将化学能转化成电能且污染小等优点,因而受到了广泛关注.然而,燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)速率较慢,成为提高燃料电池整体效率的制约因素.因此,开发高性能的ORR催化剂,加快ORR反应速率具有非常重要的意义.目前,Pt基催化剂被认为是活性最好的商用ORR电催化剂.尽管此类催化剂具有较高的催化活性和良好的稳定性,但Pt的储量有限,价格高昂,抗燃料毒化性能差,限制了其大规模应用.近年来,为了减小Pt的用量,降低催化剂成本,人们除了致力于研究贵金属合金催化剂及非贵金属催化剂外,还把目光聚焦在了非金属催化剂,特别是碳及其复合材料的研究上.在众多碳材料中,碳球因具有良好的表面渗透性和较高的机械稳定性而被广泛应用于催化、吸附、药物输送和能量存储及转化等领域中.然而,碳球的表面化学惰性较强,比表面积较低,使其部分应用受到了限制.因此,人们采用了多种方法来调控碳球的物理化学性质.其中,向碳材料中掺入杂原子,尤其是氮原子的方法广受青睐.因为杂原子的掺入会显著增强作为主体的碳原子给电子的能力和表面吸附性质,从而对ORR表现出优异的催化活性和稳定性.本文以蔗糖作为碳源,三聚氰胺作为氮源,采用水热法及高温热解法制备了一系列氮掺杂的生物质碳球.并对氮掺杂量及热解温度进行了优化.结果表明,石墨化程度及石墨氮含量的提高,能有效地提高催化剂的活性.在优化了的条件下得到的催化剂N0.1C1.9S-900,表现出了比商业Pt/C催化剂更好的ORR催化性能.在0.1 mol/L KOH中,该催化剂催化ORR的起始电位和半波电位分别为–22.6和–133.6 mV(vs.Ag/AgCl),极限电流密度为4.6 mA/cm~2,分别比商业Pt/C高出7.2 mV,5.9 mV和0.2 mA/cm~2.同时,在经过30000 s的稳定性测试中,N0.1C1.9S-900催化剂的电流损失也远低于Pt/C,表明该催化剂具有良好的稳定性.此外,在抗甲醇毒化实验中,相比于商业Pt/C,N0.1C1.9S-900催化剂对甲醇有更好的耐受性.另外,该催化剂催化的ORR属于高效的4e~–途径.可见,该催化剂作为燃料电池的阴极氧还原反应催化剂具有广阔的前景.