还原氧化石墨烯负载球形金属酞菁电催化阴极氧还原反应性能

针对阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢和Pt/C类贵金属催化剂成本高等关键难题,我们设计、合成了醛基取代的球形金属酞菁M2Pc2(TA)4(M=Zn、Co、Fe),采用"π-π组装"技术将其负载到还原氧化石墨烯(rGO)上得到复合催化剂M2Pc2(TA)4/rGO,并对其形貌和结构进行表征.结果 表明:通过"π-π堆积...     

金属锑基硫族团簇的合成、结构及电催化氧还原反应性能

为探索金属硫族团簇材料的多样性结构及其光电应用, 利用溶剂热法, 以含孤对电子的金属 Sb(Ⅲ)与硫元素采用不对称的配位几何方式结合, 合成了 Sb 基硫族团簇化合物[Sb₄S₅(S₃)]·C₅H₁₁N(1)和(C₅H₁₂N)₂[In₂Sb₂S₇] (2)。2 种化合物分别由{SbS₃}或{InS₄}配位单元之间以顶点共享的方式组合而成。电催化氧还原反应(ORR)研究表明, 化合物2 的极限电流密度和半波电位均高于化合物1, 表明其 ORR性能更好。Koutecky-Levich图分析表明, 由混合金属构筑而成的层状化合物2 的 ORR催化过程以四电子路径为主。     

金属锑基硫族团簇的合成、结构及电催化氧还原反应性能

为探索金属硫族团簇材料的多样性结构及其光电应用,利用溶剂热法,以含孤对电子的金属Sb(Ⅲ)与硫元素采用不对称的配位几何方式结合,合成了Sb基硫族团簇化合物 [Sb₄S₅(S₃)]·C₅H₁₁N (1)和(C₅H₁₂N)₂[In₂Sb₂S₇] (2)。2种化合物分别由{SbS₃}或{InS₄}配位单元之间以顶点共享的方式组合而成。电催化氧还原反应(ORR)研究表明,化合物2的极限电流密度和半波电位均高于化合物1,表明其ORR性能更好。Koutecky-Levich图分析表明,由混合金属构筑而成的层状化合物2的ORR催化过程以四电子路径为主。     

氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能

采用两步热解法, 用尿素掺杂氧化石墨烯(GO)得到N掺杂的还原氧化石墨烯(N-RGO), 通过控制反应温度, 制备了具有不同电催化活性的N掺杂的还原氧化石墨烯. 透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)结果显示, 制得的氮掺杂石墨烯(nG)表面褶皱和重叠增加. X射线光电子能谱(XPS)证明, 氮元素以吡啶N、 吡咯N和石墨化的N 3种形式掺杂在石墨烯中, 最高摩尔分数为6.6%. 通过循环伏安(CV)和旋转圆盘电极(RDE)测试了nG的电化学性能, 结果表明, 在酸性电解质中对氧还原(ORR)有较高的催化活性, 起始电位在0.1 V左右, 电催化还原氧气时主要为四电子反应, 且相对商用的Pt/C催化剂有更好的电化学稳定性, 其中第一步热解温度为200℃制得的nG催化性能最好.     

银纳米线的制备及电催化还原氧性能研究

分别以聚乙烯基吡咯烷酮(PVP),乙二醇作为软模板和还原剂,采用不同晶种(AgCl、Ag)快速合成了银纳米线.通过SEM和TEM表征,证明合成银纳米线材料形貌均一,颗粒含量很少.并且发现以AgCl为晶种合成的银纳米线长径比为200左右(SNWH),而以Ag为晶种合成的长径比为30左右(SNWL).以银纳米线作为电催化氧...     

金属硫族非超四面体In-Sn-S团簇的合成、结构及电催化氧还原反应性能

开发由金属In和Sn参与构筑的金属硫族非超四面体(non-Tn)团簇材料,对于实现该类材料的结构多样性及丰富其光电应用十分重要。利用溶剂热法合成了一系列新的 non-Tn 团簇化合物(C₇H₁₃N₂)[InS₂] (1)、(C₇H₁₃N₂)₄[In₂S₁₁Sn₃] (2)和(C₇H₁₃N₂)₃[In₃S₁₂Sn₃] (3),其中C₇H₁₃N₂=质子化1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯。3种化合物由{SnS₄}、{InS₄}或{InS₅}三个配位单元之间以边共享或顶点共享的方式组合而成。电催化氧还原反应(ORR)研究表明,化合物1~3的还原峰电位分别为0.60、0.64和0.65 V,含有Sn(Ⅳ)的化合物2和3表现出更好的催化性能。不仅如此,Koutecky-Levich图分析表明,化合物中In和Sn的组成比例对其ORR催化路径有明显的调节作用。     

石墨烯载Pt纳米粒子的原位还原制备及氧还原电催化性能

采用改进的化学氧化还原法(Hummers法)氧化鳞片石墨, 再超声振荡剥离得到氧化石墨烯(GO)水溶液. 通过聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)分子对GO表面功能化, 由于带正电荷的PDDA分子功能化的GO与带负电荷的^2-离子间的静电作用, 使Pt离子组装到GO表面, 再通过原位还原被束缚的Pt离子, 同时GO被还原成石墨烯片(GNs), 得Pt/PDDA-GNs催化剂. 相对空白GNs负载的Pt纳米粒子和商业化Pt/C(JM), Pt/PDDA-GNs催化剂有较高的氧还原活性和稳定性. 前者可归因于Pt颗粒尺寸细小和分散度较高, 后者是由于PDDA分子与Pt原子间的电子作用及对Pt颗粒的钉扎作用, 从而减缓了Pt的氧化和迁移.     

炭载Pd-Fe合金催化剂的制备及电催化氧还原活性

研究了用NH4Cl作配位剂的配位还原法来制备的Pd-Fe/C催化剂,发现由于NH4Cl能与Pd形成配合物,使Pd Cl2的还原电位负移,与Fe Cl3的还原电位接近,从而在低温下制备得到了高合金化程度的Pd-Fe/C催化剂。XPS表征结果表明:Pd与Fe形成合金后,Pd的电荷密度的减少,增加了Pd0的含量。因此,得到的Pd-Fe/C催化剂对氧还原的电催化活性比用相同方法制得的Pd/C催化剂高,而且该催化剂对甲醇氧化没有电催化活性。     

过渡金属/氮掺杂石墨的制备及电催化氧还原

用简单的化学方法制备了过渡金属(TM)壳聚糖水杨醛席夫碱配合物,然后以此配合物为金属源和N源、以硝酸预处理石墨为载体,经热处理后制备了过渡金属/氮掺杂石墨催化剂TM-N-C-t(TM=Co,Ni,Cu;t=200,400,600,800,1 000℃).以此催化剂为修饰剂制备了玻碳修饰电极,并用循环伏安法(CV)和旋转圆盘电极(RDE)伏安法研究了催化剂TM-N-C-t的电化学行为和电催化氧还原(ORR)的催化性能,催化剂的组成和结构采用TG,FT-IR,XRD,XPS等技术进行了表征.研究结果表明,催化剂TM-N-C-t对ORR均显示不同程度的催化活性,其中以1 000℃热处理的钴基催化剂Co-N-C-1000的催化活性最好,其活性已接近相同条件下的商用催化剂JM 20%Pt/C,催化活性位主要为Co—N—C.根据扩散控制的不可逆反应的循环伏安行为,计算得到了TM-N-C-t催化剂电催化ORR的动力学参数,并以此提出了氧还原催化反应的机理,在活性最好的催化剂Co-N-C-1000修饰电极上,氧气以4e转移途径被还原为水.     

炭载Pd-Fe合金催化剂的制备及电催化氧还原活性

研究了用NH₄Cl作配位剂的配位还原法来制备的Pd-Fe/C催化剂,发现由于NH₄Cl能与Pd形成配合物,使PdCl₂的还原电位负移,与FeCl₃的还原电位接近,从而在低温下制备得到了高合金化程度的Pd-Fe/C催化剂。XPS表征结果表明:Pd与Fe形成合金后,Pd的电荷密度的减少,增加了Pd⁰的含量。因此,得到的Pd-Fe/C催化剂对氧还原的电催化活性比用相同方法制得的Pd/C催化剂高,而且该催化剂对甲醇氧化没有电催化活性。     

部分氧化碳化硅提高钯催化氧还原反应性能

燃料电池具有能量转换效率高的优点,是能量转换与储存的高效器件之一.目前,燃料电池阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢,并且催化ORR大量使用铂碳(Pt/C)催化剂,由于Pt储量少,价格高,载体碳材料易发生碳蚀导致催化剂稳定性降低,限制了其进一步商业化应用.钯(Pd)与Pt为同族元素,具有相似的电子结构和化学性质,其储量是...     

自掺杂污泥碳的制备及其电催化氧还原的性能

开发低成本、高性能的阴极催化剂是燃料电池商业化应用的关键. 本文以剩余污泥为前驱体,在碳化前通过连续添加苯酚来对污泥进行驯化,热解后得到自模板、自活化及N、P、Fe自掺杂的多孔类石墨烯碳材料. 结果表明,污泥经苯酚驯化后,微生物得到富集,含碳量显著提高,N、P、Fe等元素大大增加. 热解温度升高能提高材料的石墨化程度,但过高的温度会使杂原子掺杂量减少,从而降低氧还原催化活性. 其中,800 ℃下煅烧得到的污泥碳（PSC-800）比表面积为402.4 m²·g^-1,远高于未驯化污泥碳（SC-800）的262.4 m²·g^-1. 光电子能谱（XPS）数据表明,PSC-800具有较高的杂原子掺杂量及含铁量,形成了吡啶氮、石墨氮等氧还原活性位点. 在碱性条件下催化4电子的氧还原反应,初始电位为0.93 V,高于SC-800的0.89 V及其他温度煅烧的污泥碳（PSC-600：0.75 V,PSC-700：0.87 V, PSC-900：0.91 V）. 极限电流密度与商业铂碳相当,具有良好的稳定性及抗甲醇毒性.     

电催化析氢、析氧及氧还原的研究进展

能源短缺和环境污染问题是21世纪以来人类社会发展所面临的两大难题.因此寻找洁净可再生能源及开发高效的能量储存和转换技术是当务之急.电催化反应是多种能量转换器件的核心,可控制备廉价、高效、耐用、绿色环保的催化剂是推动能源存储和转换技术快速发展的重要途径.本文对电催化过程中三个重要反应的机理进行了概述,包括电催化析氢反应(HER)、电催化析氧反应(OER)及氧还原反应(ORR),并主要对长春应用化学研究所在电催化方向的研究进展进行了总结评述.     

碳化钨电极上氧的电催化还原

以喷雾干燥微球化处理的偏钨酸铵作为前驱体,CO/H2为碳化还原气源,应用固定床气固反应法制备碳化钨(WC)粉体,再以聚四氟乙烯作粘结剂制成碳化钨电极.应用XRD和SEM等表征、观察碳化钨样品,循环伏安和线性扫描法研究硫酸电解液中WC电极的氧还原电催化行为.检测表明,WC为球状颗粒;WC电极对氧还原反应具有较好的电催化活性,硫酸溶液中溶解氧还原反应控制步骤为吸附态(O2-)ads的生成;增加硫酸电解液浓度,开路电位正移,升高温度有利于反应进行.     

石墨烯量子点负载银纳米粒子制备及氧还原电催化活性

银基氧还原电催化剂具有较高的电催化活性且价格相对低廉,因而受到广泛关注. 本文采用简单、预先合成的石墨烯量子点作为载体和还原剂,制得了负载于石墨烯量子点、且无保护剂和表面活性剂的表面洁净银纳米粒子（Ag NPs/GQDs）. 电化学研究表明,Ag NPs/GQDs复合电催化剂的氧还原有较高的电催化活性,氧在碱性溶液中可经4电子途径还原为水. 与商业铂碳电极（Pt/C）相比,AgNPs/GQDs电极具有高催化电流密度、良好稳定性和极佳抗甲醇性能. 该银纳米粒子对开发高性能和低成本的非铂氧还原电催化剂有潜在的应用前景.     

三维多孔还原氧化石墨烯气凝胶的制备及其在锂离子电池中的应用

以天然鳞片石墨为原料,采用改良的Hummers方法,制备了高纯度的薄层或单层氧化石墨(GO);并以抗坏血酸为还原剂,通过自组装还原的方式成功制备了具有三维多孔独巨石结构的还原氧化石墨烯(rGO)气凝胶,其形貌和结构经FT-IR, SEM, TEM, XRD和XPS表征。并对其作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行了测试。结果表明：rGO气凝胶独特的形貌和结构提高了其比容量和循环性能,在100 mA·g^-1电流密度下首周放电比容量可达1 700 mAh·g^-1,首周充电比容量达710 mAh·g^-1,经过100周循环后放电比容量仍可保持在450 mAh·g^-1,库伦效率保持在98%。     

Pt-H_xWO_3复合电极的制备及其对氧还原的电催化

应用电位扫描法制备3种铂与氢钨青铜(HxWO3)的复合电极,即铂上沉积氢钨青铜(HxWO3/Pt),氢钨青铜上沉积铂(Pt/HxWO3)及铂和氢钨青铜共沉积(Pt-HxWO3).测试结果表明,氢钨青铜能显著提高铂电催化对氧还原的活性,其中以复合电极Pt/HxWO3的电催化活性最高,这可能是因为在玻碳基底上先电沉积氢钨青铜再电沉积铂增加了铂的有效比表面,该电极制备为减少铂用量提供一条有效途径.     

金属硫族非超四面体In—Sn—S团簇的合成、结构及电催化氧还原反应性能

开发由金属In和Sn参与构筑的金属硫族非超四面体(non-Tn)团簇材料,对于实现该类材料的结构多样性及丰富其光电应用十分重要。利用溶剂热法合成了一系列新的non-Tn团簇化合物(C₇H₁₃N₂)[InS₂](1)、(C₇H₁₃N₂)₄[In₂S₁₁Sn₃](2)和(C₇H₁₃N₂)₃[In₃S₁₂Sn₃](3),其中C₇H₁₃N₂=质子化的1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯。3种化合物由{SnS₄}、{InS₄}或{InS₅}三个配位单元之间以边共享或顶点共享的方式组合而成。电催化氧还原反应(ORR)研究表明,化合物1~3的还原峰电位分别为0.60、0.64和0.65 V,含有Sn（Ⅳ）的化合物2和3表现出更好的催化性能。不仅如此,Koutecky-Levich图分析表明,化合物中In和Sn的组成比例对其ORR催化路径有明显的调节作用。     

Co1-xS-MnS@CNTs/CNFs的制备及其氧还原电催化性能

氧还原反应是燃料电池中重要的阴极反应,但由于动力学迟缓等问题导致其效率低.碳基材料具有导电性高、稳定性好、比表面积大等优点,常被应用于电催化氧还原反应.然而其在电催化氧还原反应中效率较低,对碳基材料进行Co、Mn掺杂有望提高其氧还原效率.本文采用静电纺丝技术制备出含有Co,Mn双金属的碳纳米纤维,经热解和硫化后碳纳米纤...     

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.