钒-氮共掺杂碳基介孔纳米材料的制备及氮还原电催化性能

电化学固氮技术由于可在温和条件下进行,为肥料低成本生产提供了新策略,但高稳定性和高活性电催化剂的选择是其关键技术。 本文采用溶胶凝胶法合成了钒掺杂ZIF-8,以此为前驱体进一步高温碳化,合成了纳米介孔钒-氮共掺杂碳基电化学还原氮(NRR)催化剂。 利用透射电子显微镜、X射线衍射、X光电子能谱和Raman光谱等对催化剂进行了表征分析。 所得催化剂呈现出高度无序的三维多孔碳结构。 催化剂中存在适量的V⁵⁺、碳化氮和吡啶氮对NRR起到明显促进作用。 当前驱体中钒锌比为0.125,在N₂气气氛保护下1100 ℃热处理获得催化剂具有最佳NRR性能,在0.1 mol/L KOH电解质溶液中,当外加电压为-0.4 V时,氨的生产速率可达7.092 μmol/(cm²·h),法拉第效率为23.88%,且催化剂具有良好的稳定性。     

生物质基氮掺杂碳材料的研究进展

氮掺杂碳材料是近年来新兴的一种多孔材料,具有高比表面积、高导电性、高活性和良好的稳定性,但制备过程繁琐,成本较高.本文简要介绍了采用廉价生物质制备氮掺杂碳材料的方法,生物质来源广泛、安全无毒且成本低廉,虾壳、藻类、果壳和毛发等生物废弃物中所含木质素、蛋白质和氨基酸等提供了丰富的N、P、C等元素,既可作为氮源也可以作为碳源.生物质经过活化可制成生物质基氮掺杂碳材料,由于N元素改变了碳材料的电荷密度和表面理化性质,提供更多活性位点,使材料不但具有优异的电化学性能,又可作为载体均匀负载金属催化各类反应,能够得到比商业催化剂更好的催化性能.重点介绍生物质基氮掺杂碳材料在燃料电池和超级电容器领域的应用,讨论了生物质基氮掺杂碳材料的制备和应用存在的问题,展望其未来的发展趋势.     

Cu-bipy-BTC衍生碳基材料的制备及其氧还原电催化性能

制备高效、廉价的氧还原(ORR)电催化剂是燃料电池的技术关键. 本文采用水热法制备出前驱体金属有机骨架化合物（MOF：Cu-bipy-BTC,bipy=2,2′-联吡啶,BTC=均苯三甲酸）后,再高温煅烧得到碳基材料MOF-800. 采用扫描电镜、X射线衍射、红外光谱、氮气吸附/脱附等温线和X射线光电子谱表征了材料的形貌和结构特征;采用线性扫描伏安曲线、i-t曲线等考察了材料的氧还原催化性能. 结果表明,与前驱体Cu-bipy-BTC相比,MOF-800含有大量的微孔(0.5 ~ 1.3 nm),为铜、氮掺杂多孔碳. MOF-800的电荷转移阻抗为10.6 Ω,比Cu-bipy-BTC降低了97.2%,具有优良的导电性. MOF-800具有优异的ORR催化性能,其起始电位约为-0.04 V(vs. Ag/AgCl),其电子转移数接近4. 铜、氮掺杂的多孔碳结构导电性好,高含量的吡啶氮、吡咯氮和石墨氮提供了大量催化活性位点(C-N, Cu-N_x),是MOF-800具有高氧还原电催化性能的主要原因. 本研究可为煅烧Cu-bipy-BTC制备碳基材料用于燃料电池修饰阴极提供技术支撑与理论依据.     

ZIF-67/石墨烯复合物衍生的氮掺杂碳限域Co纳米颗粒用于高效电催化氧还原

燃料电池阴极氧还原(ORR)催化剂目前主要以商业Pt/C为主, 其高成本和稀缺性极大地限制了燃料电池的广泛应用. 为了替代Pt/C催化剂, 廉价高效的非贵金属催化剂目前受到了广泛的研究和关注. 利用氧化石墨烯(GO)为诱导模板, 借助表面丰富的含氧官能团, 实现了Co基金属有机框架材料(MOF) (ZIF-67)在GO表面的原位生长, 构筑了ZIF-67/GO层状复合材料. 热解过程中, 石墨烯的存在有效抑制了Co纳米颗粒的团聚, 并且很好地维持了原始的层状结构. 最终获得的Co@N-C/rGO复合催化剂材料实现了活性位的高度分散, 并且具有丰富的孔结构和优异的导电性能. 在电化学性能测试中Co@N-C/rGO表现出优异的ORR性能, 其起始电位为0.96 V, 半波电位0.83 V, 远优于ZIF-67直接热解得到的Co@N-C材料, 且性能与商业Pt/C催化剂相当. 此外, Co@N-C/rGO复合催化剂还表现出良好的催化稳定性和甲醇耐受性, 显示出该材料作为燃料电池氧还原催化剂的重要潜力.     

Cu-N共掺杂碳基催化剂的制备及其氧还原性能

为了解决燃料电池阴极催化剂价格昂贵、稳定性差等问题,使用α-亚硝基-β-萘酚铜、三聚氰胺和导电碳黑通过简单的热处理制备Cu、N共掺杂的碳基催化剂(Cu-N-KB)。表征结果证实Cu、N均匀分布在碳载体中,其中铜以晶态铜粒子和非晶态的Cu-Nx两种方式存在,该催化剂高的比表面积与介孔结构确保了其大量的活性位点和快速的传质效率。该催化剂在碱性介质中表现出比商业Pt/C催化剂优异的氧还原催化性、抗甲醇性和稳定性。     

钴/氮掺杂碳催化剂及其氧还原催化机理研究

以尿素做氮源、醋酸钴做金属源,用湿法合并高温热处理法合成了钴/氮共掺杂碳的非贵金属氧还原催化剂Co-N/C-T. 采用循环伏安（CV）法和线性扫描法（LSV）探究了氮源和金属源用量以及热处理温度对氧还原反应电催化活性的影响,活性最好的催化剂Co_0.13-N_0.3/C-800的峰电位达到0.829 V（vs.RHE）,接近商用Pt/C的活性,但比商用Pt/C有更好的耐甲醇性和稳定性. 同时,采用SEM,TEM,BET,XRD和XPS方法表征了催化剂结构和组分特征,并提出催化剂可能的电催化活性氧还原反应机理.     

高分散钴氮共掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂

过渡金属氮掺杂碳基催化剂已成为替代铂基氧还原反应(ORR)电催化剂的理想选择。本文通过静电纺丝技术制备了高比表面、高度分散的钴原子配位氮掺杂的碳纳米纤维催化剂(Co-N/C)。X射线衍射(XRD)和高分辨率透射电镜(HRTEM)结果证实Co元素高度分散于制备的Co-N/C催化剂中。X射线光电子能谱结果表明N元素主要以吡啶N和石墨N形式存在。该Co-N/C催化剂对ORR反应呈现出较高的电催化活性,其氧还原起始和半波电位分别为0.92 V和0.80 V(相对于标准氢电极),接近于商业化Pt/C催化剂的性能。以制备的Co-N/C催化剂作为阴极,25℃下锌空气燃料电池的开路电位1.54 V、最大功率密度达到了190 m V·cm~(-2)表明该催化剂具有良好的应用前景。     

MOF衍生的Zn/N共掺杂碳催化剂的制备及其电催化性能

氮掺杂碳载非贵金属氧还原反应(ORR)催化剂已被广泛研究,以解决燃料电池Pt基催化剂的高成本问题.通过溶剂热法制备了无定形Zn基金属有机框架,并进一步经热处理得到Zn/N共掺杂碳催化剂.测试表明ZnN/C-900催化剂(热处理温度为900C)具有形貌均一的球形特征且比表面积高达961 m2·g-1,N、Zn的原子含量分...     

氮掺杂石墨烯的制备及其对氧还原反应的电催化性能

以氧化石墨烯（GO）为原料、丙酮肟（DMKO）为还原剂和氮掺杂剂,采用化学还原法制备了不同氮掺杂含量的石墨烯（NG）. 利用场发射透射电子显微镜（FETEM）、紫外-可见（UV-Vis）光谱、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、X射线光电子能谱（XPS）、zeta 电位和纳米粒度分析、循环伏安（CV）和旋转圆盘电极（RDE）等手段对材料的形貌、结构、成分和电化学性质进行表征. 结果显示：DMKO能有效地还原GO,且通过调节GO与DMKO的质量比,可以得到不同还原效果的NG,其氮含量范围为4.40%-5.89%（原子分数）;GO与DMKO的质量比为1：0.7时制备的氮掺杂石墨烯（NG-1）在O₂饱和0.1 mol·L^-1 KOH溶液中对氧还原反应（ORR）的电催化性能最佳,其ORR峰电流为0.93 mA·cm^-2,电子转移数为3.6,这归因于其较高含量的吡啶-N增加了材料的ORR活性位点. 此外,石墨化-N由于其较高的电子导电性倾向于产生较高的氧还原峰电流,而吡啶-N较低的超电势倾向于产生较正的氧还原峰电位. 与商用Pt/C相比,该材料展现出了优异的抗CH₃OH“跨界效应”的特性.     

硼、氮掺杂的二硫化钼用于氧还原电催化研究

对于碱性燃料电池的阴极反应,开发具有优异催化性能的新型催化剂至关重要.本工作采用一种简单的热解方法合成了硼、氮掺杂的二硫化钼(B,N-MoS2)材料并将其应用于氧还原(ORR)电催化分析.通过循环伏安法(CV)与线性扫描伏安法(LSV)等电化学分析方法,采用旋转盘电极(RDE)与旋转环盘电极(RRDE)等技术测试了该材...     

Electrochemical Reduction of Oxygen on Multi-walled Carbon Nanotubes Electrode in Alkaline Solution

The multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) electrode was constructed using polytetrafluoroethylene as binder, and the electrochemical reductive behavior of oxygen in alkaline solution was first examined on this electrode. Compared with other carbon materials, MWNTs show higher electrocatalytic activity, and the reversibility of O2 reduction reaction is greatly improved. The experiments reveal that the electrochemical reduction of O2 to HO2 is controlled by adsorption. The preliminary results illustrate the potential application of MWNTs in fuel cells.     

B,N Co-Doped Three-Dimensional Carbon Aerogels with Excellent Electrochemical Performance for the Oxygen Reduction Reaction

Herein, an ordinary and mass-production approach is reported to synthesize boron (B) and nitrogen (N) co-doped three-dimensional (3D) carbon aerogels (CA) by using glucose and borax as the raw materials by a simple hydrothermal method and then carbonization in NH₃ atmosphere. The porous material (BN-CA-900) possesses a large specific surface area (1032 m² g⁻¹) and high contents of doped pyridinic N and graphitic N. The onset potential (0.91 V vs. reversible hydrogen electrode, RHE), half-wave potential (0.77 V vs. RHE), and current density (5.70 mA cm⁻² at 0.2 V vs. RHE) of BN-CA-900 for ORR are similar to those of commercial Pt/C, indicating that BN-CA-900 has a comparable catalytic activity with Pt/C in alkaline media. The number of electron transfer is 3.86–3.99 and the yield of hydrogen peroxide is less than 6.8 %. BN-CA-900 also presents decent catalytic performance in acidic medium. Moreover, the stability and methanol tolerance of BN-CA-900 are superior to commercial Pt/C in both alkaline and acidic media. The prepared BN-CA-900 is a promising candidate that may be applied in other areas, such as the adsorption of pollution, porous conductive electrodes, and lithium-ion batteries.     

氧在Ni-MnO2电极上的电催化还原

采用喷雾热解法合成了超细二氧化锰, 通过喷涂制作成Ni-MnO2薄膜电极, 结合SEM、AFM和电化学测试技术, 研究了碱性介质中氧在Ni-MnO2薄膜电极上的电催化还原过程. 发现二氧化锰颗粒呈片状, 是由球形前驱体烧结后碎裂而成; 通过快速循环伏安法检测到了MnO2电极上存在着中间态粒子的还原过程, 该粒子浓度可累积, 并逐渐消耗直至消失, 寿命可持续约200周循环; 结果表明, 该粒子对氧的还原具有特殊的电催化活性.     

碱性溶液中分子氧在多晶银上的多步还原

 Oxygen reduction on a polycrystalline silver electrode was studied by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The reaction occurred by a two-electron pathway. The steps in the mechanism were observed in the cyclic voltammograms recorded with different scan rates. The intermediates formed in the steps were detected by electrochemical impedance spectroscopy.     

Studies on Aminoanthraquinone-Modified Glassy Carbon Electrode: Synthesis and Electrochemical Performance toward Oxygen Reduction

Russian Journal of Electrochemistry - In this paper, 9,10-anthraquinone (AQ) derivative-modified glassy carbon (GC) electrodes were studied towards the electrochemical reduction of oxygen in...     

碱性溶液中Ag3O4的电化学性质及反应机理

首次研究高价银氧化物Ag3O4(可看作为由Ag(Ⅲ)和Ag(Ⅱ)*组成)在碱性水溶液中的电化学性质和反应机理.循环伏安和XRD测试表明,Ag3O4在碱性溶液中的电化学还原过程比较复杂:在较慢的放电条件下,Ag3O4中的Ag(Ⅲ)按照Ag(Ⅲ)→Ag(Ⅱ)→Ag(Ⅰ)→Ag反应途径逐步还原为单质银;在较快的放电条件下,Ag(Ⅲ)可以直接被还原为Ag(Ⅰ),即Ag(Ⅲ)→Ag(Ⅰ)→Ag.而Ag(Ⅱ)*可直接还原成金属Ag.Ag3O4的理论放电容量可以达到553.1 mAh/g,比通常锌-氧化银电池所用AgO的电容量高出27.8%.在119C放电倍率下,Ag3O4的放电容量依然达到理论容量的83%.显示了作为新型化学电源材料的应用前景.     

Dealloyed Silver Nanoparticles as Efficient Catalyst Towards Oxygen Reduction in Alkaline Solution

Silver nanoparticles(Ag NPs) were prepared by dealloying Mg-Ag alloy precursor. The obtained Ag NPs have an average ligament size of (50±10) nm. Electrocatalytic activity of Ag NPs towards oxygen reduction reaction(ORR) in 0.1 mol/L NaOH solution was assessed via cyclic voltammetry(CV), rotating ring disk elec-trode(RRDE) techniques, and electrochemical impedance spectroscopy(EIS). The electrochemical active area for the ORR was evaluated by means of the charge of the underpotential deposition(UPD) of lead(Pb) on Ag NPs. The CV results indicate that Ag NPs have a higher current density and more positive onset potential than the bulk Ag electrode. RRDE was employed to determine kinetic parameters for O₂ reduction. Ag NPs exhibit a higher kinetic current density of 25.84 mA/cm² and a rate constant of 5.45×10^-2 cm/s at -0.35 V vs. Hg/HgO. The number of electrons(n) involved in ORR is close to 4. Further, EIS data show significantly low charge transfer resistances on the Ag NPs electrode. The results indicate that the prepared Ag NPs have a high activity and are promising catalyst for ORR in alkaline solution.     

Nitrogen Doped Carbon as Efficient Catalyst toward Oxygen Reduction Reaction

A kind of nitrogen-doped carbon(NC) nanomaterials was prepared via calcining the nitrogen-rich organic molecular glycoluril under nitrogen atmosphere. Elemental analysis result indicates the N content of the obtained NC is 13.9 wt.%. Electrochemical measurement demonstrated that the obtained NC catalyst is an efficient ORR electrocatalyst in alkaline electrolyte. The process of ORR is dominated by a four-electron transfer pathway with the most efficient catalytic activity. In addition, the NC catalyst exhibits excellent stability and good resistance to methanol poisoning. After 10000 s of chronoamperometric durability test, the relative current of NC catalyst retained as high as 95%. This work provides a new strategy for the preparation of cost-effective ORR catalysts with high catalytic performance.     

金属-有机框架衍生的中空碳材料及其在电化学能源存储与氧还原领域中的应用

金属-有机框架材料(metal-organic frameworks,MOFs)是一类由金属离子或金属团簇与有机配体通过配位键连接形成的具有周期性网络结构的多孔配位聚合物。这类材料通常具有孔道规整、比表面积大、孔隙率高、结构可设计及孔壁易修饰等特点,诸多的优点使得MOFs的研究从配位化学跨越到多个学科领域,成为当前多学科交叉前沿热点之一。近来的研究发现,以MOFs为前驱体碳化后制得的碳材料可保留MOFs的大比表面积和多孔结构,同时可以实现均匀的杂原子(如N、P、S、B等)掺杂,而且通过选择合适的MOFs前驱体可调控产物的组成和形貌尺寸,这些显著的结构特征使其具备了成为高性能功能性材料的潜力。最近,以MOFs为模板或前驱体制备的中空碳材料引起了人们的广泛关注,这主要是因为中空结构可有效缓解材料在电化学过程中产生的体积变化及受到的冲击,而且中空结构可暴露出更多的活性位点,具有快速的传质过程,使得材料发挥出最优性能,故而此类材料可被用在二次电池、电容器、电催化等多种电化学器件和多个领域中。基于此,本文综述了MOFs衍生的中空碳材料在储能器件及电催化领域的研究进展,主要包括锂离子电池、锂硫/硒电池、钠离子电池、超级电容器、电催化氧还原等领域,并对这类材料当前面临的挑战及未来的发展趋势进行了阐述。     

恒电位氧化改性石墨毡及其氧还原电极的电化学性能

分别采用循环伏安改性法和恒电位氧化法对石墨毡进行改性处理,并采用循环伏安法对其电化学性能进行研究,实验结果表明,恒电位氧化改性较循环伏安改性的石墨毡有较好的氧还原活性。通过XRD、FTIR、接触角和CV针对恒电位氧化处理石墨毡进行了进一步的测试。测试结果显示,随恒电位氧化时间的增加,石墨毡表面亲水性含氧官能团增加,润湿性增强。恒电位氧化改性处理25 min的石墨毡氧还原峰电位及电流密度分别为~-0.43 V和~0.003 4 mA·cm^-2,显示出很好的电化学催化性能。基于以上结果,恒电位氧化法改性处理能够极大提高石墨毡的氧阴极活性。