碱性溶液中空气电极催化剂Co-N/C的研究

采用简单热处理方式制备了空气电极用氧还原电催化剂Co-N/C(800),利用线性电位扫描、控电流极化曲线及单电池测试等方法评价Co-N/C(800)的氧还原反应(ORR)催化活性。结果表明:该催化剂在碱性溶液中(1 mol/LNaOH)对ORR有很好的催化活性,起始氧还原电位约为0.04 V(vs.Hg/HgO);在室温及空气气氛条件下,以Co-N/C(800)制备的空气电极在7 mol/L NaOH溶液中时性能最佳,在电极电位为-0.6 V(vs.Hg/HgO)时电流密度达100 mA/cm2;自制的空气电极与纯锌片所组装的锌-空气电池,以7 mol/L NaOH为电解液,在电池过电位为0.8 V时,电流密度超过了100 mA/cm2,催化性能优于常规MnO2催化剂;同时进行了单电池放电测试,放电平台保持在1.25～1.30 V且性能稳定。     

β-MnO2纳米带的制备及其电催化氧还原活性

在150℃水热条件下,以十六烷基三甲基溴化铵为模板,用HMnO4氧化MnSO4,得到的反应产物通过X射线衍射和扫描电镜测试表明为β-MnO2纳米带.分别用β-MnO2纳米带和电解二氧化锰(EMD)作为氧还原催化剂冷压制成气体扩散电极,在6 mol/L KOH水溶液中进行稳态极化测试.结果表明,β-MnO2纳米带的电极电位比EMD正移30~60mV,当催化膜中β-MnO2纳米带的含量在35%时催化活性最高.在一般锌/空气电池的工作电流密度40 mA/cm2下,通过电池放电测试得到β-MnO2的工作电压达到1.12V.     

碳载钴酞菁催化剂的制备及其氧还原催化性能研究

研究了一种通过固相加热一步合成碳载钴酞菁复合催化剂(CoPc/C)的制备方法.通过XRD,IR对制备的催化剂进行了表征.结果显示,得到的产物为CoPc/C,平均粒径30nm.利用极化曲线和交流阻抗等电化学方法测试了其在碱性介质中对氧还原的催化性能.该催化剂在碱性介质中(6mol·L-1KOH)空气气氛下,氧还原的初始电位达到0V,电极电位为-0.10V vs·Hg/HgO时电流密度达到100mA·cm-2,有显著的氧还原电催化效果.对实验得到的极化曲线及交流阻抗数据进行拟合处理及计算,获得相关动力学参数.     

碳载钴酞菁催化剂的一步法制备及其在碱性条件下对氧的电催化还原

通过固相加热,一步合成了以VulcanXC-72(碳黑)为载体的碳载钴酞菁(CoPc/C)复合催化剂,其可用作空气电极的氧还原催化剂。通过X射线衍射、红外光谱等测试技术对催化剂进行了表征。利用极化曲线和交流阻抗(EIS)方法测试了其在碱性介质(6mol/LKOH)中对氧还原的催化性能。结果显示,得到的产物为CoPc/C复合物,平均粒径30nm。以磷酸处理的碳黑为载体,在600℃下制备的CoPc/C复合催化剂表现出最佳的催化活性。以其制备的电极在空气气氛下-0.03V(Hg/HgO)电位时即可产生明显氧还原电流,-0.2V时电流密度达90×10-3A/cm2。     

CoPy/C催化氧还原的碱效应及活性位研究

以碳黑(Vulcan XC-72R)为载体, 硫酸钴(CoSO₄ · 7H₂O)和吡啶(Py)作为催化剂前躯体, 经溶剂分散及800℃热处理可制备出高效催化氧还原反应(ORR)的碳载钴吡啶复合催化剂(15%Co25%Py/C, 质量分数). 采用红外光谱(IR)和X射线光电子能谱(XPS)等对催化剂的结构进行表征. 运用旋转圆盘电极(RDE)技术研究了不同浓度的KOH溶液(0.05~12.0 mol/L)对CoPy/C催化氧还原活性的影响. 结果表明, 不同浓度的KOH溶液对CoPy/C催化剂催化氧还原反应(ORR)的性能影响很大, 在0.05和0.1 mol/L KOH溶液中催化剂活性最高. 以其制备的气体扩散电极在0.05 mol/L KOH溶液(O₂气氛)中的半波电位为-0.138 V, 起峰电位为0.10 V, 同时表现出明显的极限扩散电流. 在-0.381 V时电流密度达到最大值(4.39 mA/cm²). 随着KOH溶液浓度的增加(pH值下降), 起始电压沿负方向移动, 同时动力学、 混合动力学和扩散区的电流密度均下降. RDE研究结果表明, 在0.05和0.1 mol/L KOH溶液中, O₂在CoPy/C电极上的还原主要经4e^-过程还原成H₂O. XPS研究结果表明, 吡啶作为小分子富氮源对提高催化剂的活性具有重要作用, 所制备催化剂经800℃高温热处理形成了石墨N, 吡啶N以及部分氧化态的氮结构, 其中石墨N和吡啶N作为催化剂的活性中心, 提供氧还原活性位, 从而使该类催化剂对氧还原表现出很好的电催化性能和选择性.     

催化层位置对气体扩散电极性能的影响

以锌空气电池气体扩散电极为研究对象,采用分层添加催化剂的方式研究了改变催化层位置对气体扩散电极放电性能的影响.将气体扩散电极以集流体为中心分为两面:面向空气侧的A面与面向电解液侧的B面.根据催化剂添加位置的不同,制作四类电极:AB两面都添加催化剂、AB两面都不添加催化剂、只在A面添加催化剂、只在B面添加催化剂.在同等条件下对比并分析四类电极的放电效果.实验证明.当催化层位于气体扩散电极的空气侧(A面)时,整个电池的浓差极化与欧姆极化都会增大,而只在气体扩散电极靠近电解液侧(B面)添加催化剂时电极放电性能相对较好.     

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.     

氮/硫双杂化非贵金属碱性阴离子膜燃料电池阴极非铂催化剂

以吡咯和对甲苯磺酸(TsOH)作为碳载过渡金属催化剂的掺杂剂,经溶剂分散及600℃热处理制备了一种高效催化氧还原反应(ORR)的碳载双杂化过渡金属催化剂(Fe-N/C-TsOH-600).利用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂的结构进行表征.运用旋转圆盘电极(RDE)技术研究了该催化剂在碱性介质中催化氧还原的电化学催化活性和稳定性,探讨了不同浓度甲醇溶液对Fe-N/C-TsOH-600催化剂催化氧还原活性的影响.结果表明,以Fe-N/C-TsOH-600制备的气体扩散电极在0.1 mol/L KOH电解质溶液中对氧具有很高的选择催化还原活性和稳定性.当电极经过4800圈循环伏安(CV)扫描测试后,催化剂催化氧还原的性能基本保持稳定,并以4电子途径将氧气催化还原.此外,研究还发现,Fe-N/C-TsOH-600在混有甲醇的碱性电解质溶液中对氧的催化还原选择性比商业Pt/C催化剂高.XPS结果表明,吡咯氮是催化剂高效催化氧还原的主要活性中心,提供氧还原的活性位,而TsOH作为供硫掺杂剂对提高催化剂的活性具有重要作用,其加入后形成的C—S—C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.     

高温处理对碳载吡啶钴催化氧还原性能的影响

利用碳黑(Vulcan XC-72R) 中加入硫酸钴和吡啶(Py)作为催化剂前躯体, 经溶剂分散热处理构建了一类新型的高效氧还原CoPy/C复合催化剂. 运用循环伏安法和旋转圆盘电极(RDE)技术研究了不同温度(600~900 ℃)处理CoPy/C催化剂在碱性介质中对氧还原的电催化性能. 结果表明, 热处理能显著提高CoPy/C的催化活性, 活性次序为800 ℃>900 ℃>600 ℃>未处理. 其中800 ℃处理的15%Co25%Py/C(质量分数)复合催化剂表现出最佳的氧还原催化性能, 以其制备的气体扩散电极在3.0 mol/L KOH 电解质溶液(O₂气氛)中的半波电位为-0.069 V(相对于标准可逆氢电极), 起峰电位为0.026 V, 同时表现出明显的极限扩散电流. 利用透射电镜、 能谱分析和X射线衍射技术对催化剂的微观形貌、 颗粒大小和活性位结构的研究结果表明, 所制备的碳黑负载吡啶钴催化剂(15%Co25%Py/C)平均粒径为17 nm, 经800 ℃处理后吡啶结构发生了坍塌, 形成了其它价态的钴氧化合物、 硫化物和单质钴, 并协同吡啶中的氮对氧起催化还原作用. RDE结果表明, O₂在CoPy/C催化剂上的反应动力学主要通过4e^-过程还原成H₂O.     

CoPy/C催化剂应用碱性介质氧还原催化的电化学性能

利用碳黑（Vulcan XC-72R）中加入硫酸钴和吡啶（Py）作为催化剂前驱体,经溶剂分散热处理构建了一类新型的高效氧还原CoPy/C复合催化剂.并运用循环伏安法（CV）和旋转圆盘电极（RDE）技术研究了不同Co含量的CoPy/C催化剂在碱性介质中对氧还原的电催化活性.结果表明:Co的存在对氧的催化剂活性位的形成有重要影响,800℃下所制备的10%Co30%Py/C（质量分数）复合催化剂表现出最佳的氧还原催化活性.以其制备的气体扩散电极在3.0 mol·L^-1KOH电解质溶液（O₂气氛）中0.014 V（相对于标准氧电极（RHE））即可产生明显的氧还原电流.同40%Py/C相比,10%Co30%Py/C催化氧还原的起峰电位正移了71 mV,同时表现出明显的极限扩散电流.在-0.16 V时电流密度达到最大值,电流密度为1.0 mA·cm^-2,半波电位在-0.07 V.透射电镜分析表明所制备的碳黑载吡啶钴（10%Co30%Py/C）催化剂平均粒径为20 nm.     

Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction Fe-N-C Cathode in Long-durable Direct Glycol Fuel Cells

The oxygen reduction reaction in direct glycol fuel cells heavily relies on noble metal-based electrocatalysts. In this work, novel Pt group metal-free catalysts based on porous Fe-N-C materials are successfully synthesized as catalysts with high activity and durability for the cathode oxygen reduction reaction (ORR). Through the encapsulation of NH₄SCN salt, the surface elements and pore structure of the catalyst are effectively changed, and the active sites of Fe effectively are increased. The half-wave potential of the best Fe-N-C catalyst was –0.02 V vs. Hg/HgO in an alkaline environment. The porous Fe-N-C catalyst possesses a large specific surface area(1158 m²/g) and shows good activity and tolerance to glycol. The direct glycol fuel cell with the Fe-N-C cathode achieved a maximum power density of 62.2 mW/cm² with 4 mol/L KOH and 4 mol/L glycol solution at 25 °C and maintained discharge for more than 250 h at a 50 A/cm² current density.     

Co3O4纳米片的制备及对H2O2电还原反应的催化性能简

通过恒电势电沉积和加热处理在泡沫镍基体上制备了Co3O4纳米片. 利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对纳米片的形貌和结构进行了表征. 采用线性伏安扫描和计时电流技术研究了Co3O4纳米片电极对H2O2的电还原性能. 结果表明,在3.0 mol/L KOH 和 0.4 mol/L H2O2溶液中,当电压为-0.4 V(vs. Ag/AgCl)时,线性伏安扫描电流密度达到-0.386 A/cm2,在1000 s 测试时间内,计时电流密度衰减很小,表明Co3O4纳米片电极对H2O2具有很高的活性和稳定性.     

MnO2/C复合材料的电化学电容特性研究

应用乙炔黑直接还原高锰酸钾制备MnO2/C复合材料.样品结构及性能由XRD和SEM表征.研究了MnO2/C电极(正极)在不同电解液中的法拉第"准电容行为",及其循环伏安、交流阻抗与恒电流充放电等性能.实验表明,MnO2/C复合材料具有良好的电化学电容特性.在1 mol/L的KOH电解液中和电流密度为5 mA/cm2下,MnO2/C复合材料的比电容量可达258 F/g,并表现出良好的循环性能.     

聚苯并咪唑-漆酶复合物修饰电极无电子传递媒介体催化氧还原性能

采用循环伏安法将聚苯并咪唑和漆酶的复合物共沉积在玻碳电极表面。 制备的漆酶基电极在O2气饱和的磷酸盐缓冲液中可以观察到明显的催化还原电流,实现了无媒介体的酶-电极间直接电子迁移,电极静止时氧还原起始电位为645 mV,近于漆酶活性位T1的式电位580 mV,而极限扩散催化电流密度可达318.5×10-6 A/cm2。 但由于O2气在致密的固酶导电聚合物修饰层中扩散不够快(扩散系数只有在溶液中的1.25％),导致电极以较高速度旋转时极限扩散催化电流密度仅仅增加到1×10-3 A/cm2。 根据静态时极限催化电流密度求算得到的固定漆酶催化氧还原平均转化率为21.7/s。 这种漆酶基电极具有良好的重现性和长期使用性(储存10 d后催化活力仍然保持了初始值的80％以上),在人体生理温度和弱酸性条件下具有最佳催化活力。 这种漆酶基电极作为氧传感器具有良好的传感性能：检测限低(0.5 μmol/L),灵敏度高(71.1 μA·L/mmol),且对O2具有良好的亲和力(KM=89.9 μmol/L)。     

表面活性剂对聚氯乙烯膜修饰电极电化学行为的影响

采用循环伏安法考察了所制备的聚氯乙烯(PVC)膜修饰电极的稳定性,结果表明,该修饰电极性能稳定,电极反应过程为扩散控制的过程。以循环伏安法、计时库仑法、稳态极化曲线法和交流阻抗法分别考察了阳离子(十六烷基三甲基溴化铵,CTMAB)、阴离子(十二烷基硫酸钠,SDS)和非离子(脂肪醇聚氧乙烯醚,AEO9)3种不同类型的表面活性剂对PVC膜-Ag[B(ph)4]修饰电极反应过程的影响。结果表明:加入CT-MAB或SDS后,PVC膜中Ag[B(ph)4]氧化态和还原态的扩散系数分别比电极在0.1mol/LKOH支持电解质中的扩散系数小,PVC膜修饰电极的反应过程受扩散控制的特征变得更明显,表明在此条件下膜中的电子转移速度加快,CTMAB或SDS对PVC膜修饰电极的电极反应过程有增敏作用。而加入AEO9后,PVC膜中的Ag[B(ph)4]氧化态和还原态的扩散系数比电极在0.1mol/LKOH支持电解质中的扩散系数大,并使电极反应的控制步骤从扩散控制转向含电子转移控制的扩散控制,表明在此条件下膜中的电子转移速度变慢,AEO9对PVC膜修饰电极的电极反应过程有抑制作用。     

"三明治夹心"型Ni-P@Ni-B/Ni电极的制备及高效全pH下的催化制氢性能

通过化学镀法制备了具有“三明治夹心”结构的Ni-P@Ni-B/Ni催化电极. 该催化材料为直径1 μm左右的微球. 电化学性能测试结果表明, 在电流密度为10 mA/cm ²时, 其在0.5 mol/L PBS缓冲液(pH=7)中的过电位仅为287 mV, 在此电位下连续工作24 h后, 电流密度仅衰减了7.6%. 同时Ni-P@Ni-B/Ni在酸性(0.5 mol/L H₂SO₄)和碱性(1 mol/L KOH)条件下也具有优异的析氢反应催化活性, 达到相同电流密度时过电位分别为199和79 mV. 该工作为全pH环境下高效电解水制氢提供了新思路.     

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.     

Carbon-supported Fe/Co-N electrocatalysts synthesized through heat treatment of Fe/Co-doped polypyrrole-polyaniline composites for oxygen reduction reaction

In this paper,we synthesized cathode catalysts(PANI-PPYR,Fe/PANI-PPYR,Co/PANI-PPYR and Fe-Co/PANI-PPYR)with high performance oxygen reduction by using a simple heat treatment process.These catalysts were fabricated by directly calcining the Fe and/or Co doped polyaniline(PANI)-polypyrrole(PPYR)composites.Their electrocatalytic activity for ORR both in acidic and in alkaline media was investigated by voltammetric techniques.Among the prepared catalysts,Co/PANI-PPYR presents the most positive ORR onset potential of 0.62 V(vs.SCE)in 0.5 mol/L H2SO4 solution or?0.09 V(vs.SCE)in 1 mol/L NaOH solution.In addition,the Co/PANI-PPYR catalyst shows the largest limiting-diffusion current density for ORR,which is 4.3 mA/cm2@0.2 V(vs.SCE)in acidic and 2.3 mA/cm2@?0.3 V(vs.SCE)in alkaline media.In acidic media,a four-electron reaction of ORR on the Co/PANI-PPYR and Fe/PANI-PPYR catalysts is more dominant than a two-electron reaction.In alkaline media,however,a four-electron and a two-electron mechanisms are co-present for the ORR on all the prepared catalysts.Co/PANI-PPYR catalyst also presents good electrocatalytic activity stability for ORR both in acidic and in alkaline media.