基于内嵌钴/氮掺杂多孔碳三维石墨烯笼的抗团聚高效氧还原电催化剂

氧还原反应是决定燃料电池、金属-空气电池等多种新型清洁能源存储与转化技术之性能与应用的关键反应. 铂及其合金是目前催化活性最好的氧还原反应催化剂,但其高昂的成本限制了规模化应用. 在小尺寸效应作用下,微纳米结构催化剂颗粒在电极制备与电化学反应过程中的团聚限制了催化剂本征催化活性的充分发挥. 本文基于喷雾热解技术,发展了一种基于内嵌钴/氮掺杂多孔碳三维石墨烯笼的高活性、抗团聚非贵金属氧还原反应催化剂. 此结构中,金属有机骨架化合物ZIF-67衍生的钴/氮掺杂多孔碳纳米结构是催化氧还原反应的活性中心,包覆其外的三维石墨烯笼不仅可在钴/氮掺杂碳纳米结构之间构建连续的三维载流子传导网络,且可高效抑制其在催化剂制备与电化学反应过程中的团聚与活性损失. 在碱性电解液中,此类非贵金属催化剂表现出可与铂基催化剂媲美的氧还原反应活性和优异的稳定性.     

快速微波法制备掺氮石墨烯用于碱性氧还原电催化剂

采用微波法在氨气气氛下快速加热石墨烯（G）制备了含氮量在4.05 wt%-5.47 wt%的掺氮石墨烯（NG）. 将上述的掺氮石墨烯用作碱性电解质条件下的氧还原电催化剂,起始还原电势为0.17 V（vs SHE）,接近商用碳载铂催化剂的0.21 V（vs SHE）. 采用透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱研究了掺氮石墨烯的形貌、结构和掺杂氮原子的键合方式. 结果发现,掺氮石墨烯的氧还原起始电位随着石墨氮原子含量的提高而上升,说明石墨类型的氮含量是影响其氧还原催化活性的关键因素. 实验结果表明,微波法快速制备的掺氮石墨烯在碱性条件下表现出较高的氧还原催化活性,具有作为碱性燃料电池阴极催化剂的潜力.     

钙钛矿型氧化物负载纳米金属催化剂结构的动态调变及其催化氧化CO反应性能

研究了钛酸钡和钛酸钙担载的Ag和Pt纳米催化剂的表面结构随氧化-还原处理过程的动态变化及其对CO完全氧化反应性能的影响.发现氧化物担载的Ag催化剂在氧化处理后其催化活性较还原处理的高; X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征结果表明,氧化处理能够提高载体表面Ag颗粒的分散度,而还原处理导致Ag颗粒的聚集,从而降低了催化氧化CO反应的活性.氧化-还原处理改变了担载Ag纳米粒子的尺寸并影响其CO氧化反应活性.与此相反,氧化物担载的Pt催化剂在还原处理后所表现出的CO氧化反应活性较氧化处理的高; 对比研究发现,氧化和还原处理后Pt纳米粒子的尺寸基本相同,但是氧化处理的样品中Pt表面物种以氧化态为主,而还原处理后Pt表面物种主要为金属态.Pt纳米粒子表面化学状态随氧化-还原处理的调变是导致表面催化活性差异的主要原因.     

N掺杂石墨烯负载AgPd纳米催化剂室温高效催化甲酸分解制氢

本文制备了一种AgPd纳米粒子负载在氮掺杂石墨烯上的催化剂(AgPd/N-G).通过一系列分析技术表征了样品的元素组成、微观结构、光电子能谱等,并测试了其对于甲酸分解制氢反应的催化活性.结果表明,由于氮的掺杂,该催化剂在保留石墨烯导电性、机械性能及高的比表面积等优异特性的同时,大大增加了其活性位点.同时,有效地加强了载体与AgPd金属纳米粒子的结合力,使得金属粒子分散性大大提高,显著增加了催化剂的催化活性和稳定性.     

氮掺杂碳载体促进铂纳米颗粒电催化氧还原反应的作用机制研究（英文）

氮掺杂碳通常被用作铂基催化剂电催化氧还原反应的功能载体,但是,掺杂的氮对分子氧在铂活性中心上的吸附和还原机理尚不清楚。本研究采用氨气热解的方法制取氮掺杂纳米碳作为载体,并采用调节氨气热解温度进而控制不同种类氮掺杂的含量,可以使铂催化剂获得较高的零价铂含量、较大的电化学活性面积、合适的铂粒径(2.10 nm)和电子快速传输能力从而提高电催化活性。研究发现,具有最佳氮含量掺杂的Pt/Nano-NC-800催化剂显示出优异的电催化氧还原性能(例如,半波电位为0.80 V vs RHE,极限扩散电流为5.37 mA/cm²),以及强的抗甲醇和一氧化碳中毒能力。该性能优于商业铂碳催化剂(20%,JM)以及大多数沉积在碳纳米颗粒或其他载体上的铂催化剂,表现出优异的应用潜力。     

Co@N-石墨烯/C催化甲苯衍生物氧化胺化研究

核壳结构纳米催化剂的发展一直备受化学家的关注.我们通过热解碳担载乙酸钴和1,10-菲哕啉复合物制备出具有核壳结构的氮掺杂石墨烯包裹钴催化剂,并对其进行了系统的表征和催化性能研究.研究发现,该催化剂在TBHP和H2共存的条件下,在催化硝基苯和甲苯的选择性还原-氧化胺化合成N-烷基化胺反应中展现出较好的催化性能和良好的官能团耐受性.透射电镜表征表明氧化钴纳米颗粒被厚度约1.12～1.87 nm的含氮石墨烯壳包裹.X射线光电子能谱表征发现壳层中的石墨烯氮和作为核的氧化钴纳米颗粒间具有较明显的相互作用.我们对催化体系的普适性以及反应机理也进行了较为系统的研究.     

氮掺杂还原氧化石墨烯/四氧化三钴双功能催化剂的制备及表征

采用尿素作为氮源,通过热退火法制备氮掺杂还原氧化石墨烯,然后以乙酰丙酮钴作为钴源通过水热法制备氮掺杂还原氧化石墨烯/四氧化三钴杂化纳米片作为催化氧还原和氧析出反应的双功能催化剂。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线电子能谱仪(XPS)等对其进行形貌结构表征,通过旋转圆盘电极等电化学测试对其电催化性能进行分析,可以看出该催化剂具有良好的氧还原和氧析出催化性能。     

氮掺杂还原氧化石墨烯负载铂催化剂的制备及甲醇电氧化性能

采用高温热解聚苯胺修饰的氧化石墨烯（PANI-GO）,得到了氮掺杂的还原氧化石墨烯碳材料（N-RGO）,以其负载Pt 制备了Pt/N-RGO纳米结构电催化剂. 采用透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X 射线衍射（XRD）谱及拉曼光谱等技术对N-RGO和Pt/N-RGO的形貌及结构进行了表征,用循环伏安、计时电流等电化学技术研究了Pt/N-RGO电极催化剂对CO溶出反应和甲醇电氧化反应的催化性能. 结果表明：高温热解PANIGO可同时实现GO的还原及其氮掺杂的过程,氮掺杂引起还原氧化石墨烯碳材料表面缺陷结构和导电性的增加;与相应的未掺杂氮样品Pt/RGO相比较,Pt/N-RGO样品上Pt 颗粒的分散更均匀,显示出更强的抗CO毒化能力和更高的甲醇电氧化催化活性及稳定性.     

Co@N-石墨烯/C催化甲苯衍生物氧化胺化研究（英文）

核壳结构纳米催化剂的发展一直备受化学家的关注.我们通过热解碳担载乙酸钴和1,10-菲啰啉复合物制备出具有核壳结构的氮掺杂石墨烯包裹钴催化剂,并对其进行了系统的表征和催化性能研究.研究发现,该催化剂在TBHP和H_2共存的条件下,在催化硝基苯和甲苯的选择性还原-氧化胺化合成N-烷基化胺反应中展现出较好的催化性能和良好的官能团耐受性.透射电镜表征表明氧化钴纳米颗粒被厚度约1.12~1.87 nm的含氮石墨烯壳包裹.X射线光电子能谱表征发现壳层中的石墨烯氮和作为核的氧化钴纳米颗粒间具有较明显的相互作用.我们对催化体系的普适性以及反应机理也进行了较为系统的研究.     

氮掺杂还原氧化石墨烯负载铂催化剂的制备及甲醇电氧化性能

采用高温热解聚苯胺修饰的氧化石墨烯(PANI-GO),得到了氮掺杂的还原氧化石墨烯碳材料(N-RGO),以其负载Pt制备了Pt/N-RGO纳米结构电催化剂.采用透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)谱及拉曼光谱等技术对N-RGO和Pt/N-RGO的形貌及结构进行了表征,用循环伏安、计时电流等电化学技术研究了Pt/N-RGO电极催化剂对CO溶出反应和甲醇电氧化反应的催化性能.结果表明:高温热解PANIGO可同时实现GO的还原及其氮掺杂的过程,氮掺杂引起还原氧化石墨烯碳材料表面缺陷结构和导电性的增加;与相应的未掺杂氮样品Pt/RGO相比较,Pt/N-RGO样品上Pt颗粒的分散更均匀,显示出更强的抗CO毒化能力和更高的甲醇电氧化催化活性及稳定性.     

Synthesis and characterization of iron‐ and nitrogen‐functionalized graphene catalysts for oxygen reduction reaction

Iron‐ and nitrogen‐functionalized graphene (Fe‐N‐G), as well as iron‐ and nitrogen‐functionalized oxidized graphene (Fe‐N‐Gox) catalysts were synthesized as non‐noble metal electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR). The physical properties of the resultant catalysts were characterized using nitrogen adsorption measurements, X‐ray diffraction, Raman and X‐ray photoelectron spectroscopies and transmission electron microscopy. Subsequently, ORR activities of the catalysts were determined electrochemically using a conventional three‐electrode cell via cyclic voltammetry with a rotating disc electrode, the results of which indicated that the synthesized catalysts had a marked electrocatalytic activity towards ORR in acid media. Among the synthesized catalysts, that functionalized using 2,4,6‐tris(2‐pyridyl)‐1,3,5‐triazine as nitrogen source had the highest electrocatalytic activity with the highest onset potential (0.98 V/SHE) and limiting current density (5.12 mA cm⁻²). The findings are particularly important to determine a non‐precious metal catalyst for ORR activity in fuel cells.     

Hollow PtFe Alloy Nanoparticles Derived from Pt-Fe3O4 Dimers through a Silica-Protection Reduction Strategy as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysts

The development of efficient and stable electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) is critical for the large-scale production of fuel cells. Platinum (Pt) nanoparticle catalysts show excellent performance for ORR, though the high cost of Pt is a limiting factor that directly impacts fuel cell production costs. Alloying Pt with other transition metals is an effective strategy to reduce Pt utilization whilst maintaining good ORR performance. In this work, novel hollow PtFe alloy catalysts were successfully synthesized by high-temperature pyrolysis of SiO₂-coated Pt-Fe₃O₄ nanoparticle dimers supported on carbon at 900 °C, followed by SiO₂ shell removal and partial dealloying of the PtFe nanoparticles formed using HF. The obtained hollow PtFe nanoparticle catalysts (denoted herein as PtFe-900) showed a 2.3-fold enhancement in ORR mass activity compared to PtFe nanoparticles synthesized without SiO₂ protection, and a remarkable 7.8-fold enhancement relative to a commercial Pt/C catalyst. Further, after 10 000 potential cycles, the ORR mass activity of PtFe-900 remained very high (90.9 % of the initial mass activity). The outstanding ORR performance of PtFe-900 can be attributed to the modification of Pt lattice and electronic structure by alloying with Fe at high temperature under the protection of the SiO₂ coating. This work guides the development of improved, highly dispersed Pt-based alloy nanoparticle catalysts for ORR and fuel cell applications.     

一步热解核黄素制备高性能氧还原反应电催化剂

质子交换膜燃料电池具有零污染、能量密度高、操作温度低和超静低音等优点,因而广泛应用于新能源汽车动力电源.然而质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应(ORR)过程缓慢且复杂,因此需要大量的高性能ORR电催化剂.商品铂基催化剂是目前最为广泛使用的ORR催化剂,然而其高昂的价格阻碍了燃料电池汽车的商业化进程.因此,近年来人们致力于研发高性能的非贵金属ORR催化剂,并成功获得了具有高ORR活性及优异稳定性的催化剂.然而开发贵金属替代催化剂还存在制备过程较为复杂、单体有毒等缺点.核黄素具有成本低廉、无毒、氮含量高等优点,本文将其直接作为碳源和氮源,以无水氯化铁为铁前驱体,通过简单的一步热解法制备了高性能的Fe-N-C催化剂.表征结果表明,合成的催化剂表面由于氮的掺杂导致石墨烯存在较多的缺陷,其比表面积为301 m2 g-1且孔径分布主要位于45 nm处;催化剂由很薄、卷曲的石墨烯片层和一些颗粒组成,其中的碳材料高度石墨化且存在Fe2O3晶体.结合X射线光电子能谱和催化剂的ORR活性,推导出石墨化氮为ORR的主要活性位,铁在ORR反应中也起着重要作用.在氧气饱和的0.1 mol L-1 KOH溶液中,Fe-N-C催化剂的ORR活性达到4.16 mA cm-2,与商品Pt/C催化剂相当(4.46 mA cm-2).采用计时电流法在0.66 V(相对于RHE电位)下运行3 h后,Fe-N-C催化剂电流仅下降了3%,而Pt/C催化剂下降了40%,表明Fe-N-C催化剂与Pt/C催化剂具有相近的ORR活性,但稳定性比Pt/C催化剂更出色.测试结果表明,Fe-N-C催化剂的抗甲醇毒化性能远优于Pt/C催化剂.在酸性介质中,Fe-N-C催化剂的ORR活性比Pt/C催化剂低,但稳定性更高.总之,该Fe-N-C催化剂在碱性介质中有较高的活性和稳定性,在酸性介质中有较高的稳定性.因此,我们采用廉价、无毒的核黄素作为碳氮源,通过简单的一步热解法制备出的Fe-N-C催化剂能较好地满足燃料电池ORR催化剂高性能和低成本的要求,具有很好的应用前景.     

Metal Phthalocyanine‐Porphyrin‐based Conjugated Microporous Polymer‐derived Bifunctional Electrocatalysts for Zn‐Air Batteries

Conjugated microporous polymers (CMPs) as emerging porous materials with diverse structures and tunable building‐units have attracted much attention in the electrochemical field. Herein, we designed phthalocyanine‐porphyrin‐based conjugated microporous polymers as precursors for fabrication of Co, Fe, N tri‐doped graphene composites towards oxygen reduction and evolution reaction (ORR/OER). As expected, the elements cobalt and iron are well dispersed in graphene carbon and interact with the nitrogen sites, thereby providing extra electrocatalytic active sites and enhancing its overall conductivity. Benefiting from its unique design and structure, the obtained catalyst affords a superior bifunctional catalytic activity with a positive onset potential of 0.957 V for ORR, and a low overpotential of 0.36 V for OER. More attractively, the CoFeNG is employed as an air cathode catalyst in Zn‐air batteries, showing a maximum current density of 215 mA cm^?2 and good cycle stability for 20000 s. The rational design of phthalocyanine‐porphyrin‐based derivatives provides a feasible route for the construction of high‐performance ORR/OER catalysts.     

碳基非贵金属氧还原电催化剂的活性位结构研究进展

以热解型Fe/N/C为代表的碳基非贵金属材料被认为是当前最具潜力替代铂的非贵金属氧还原催化剂,其综合性能的进一步突破,对于推动质子交换膜燃料电池商业化应用具有重要意义。对热解型Fe/N/C催化剂活性位结构的深入认识是实现催化剂高活性位密度和高稳定性理性设计的关键。本文总结了热解型Fe/N/C活性位的研究进展,重点介绍了非晶态铁氮配位活性中心、氮掺杂和碳缺陷三类活性位构型。由于热解型Fe/N/C是非均相的,结构非常复杂,导致在活性位认识上还存在诸多争议,本文总结阐述了活性位结构的不同观点。最后,我们展望了Fe/N/C催化剂活性位研究的未来方向。     

Effect of microstructure of nitrogen-doped graphene on oxygen reduction activity in fuel cells

The development of fuel cells as clean-energy technologies is largely limited by the prohibitive cost of the noble-metal catalysts needed for catalyzing the oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells. A fundamental understanding of catalyst design principle that links material structures to the catalytic activity can accelerate the search for highly active and abundant nonmetal catalysts to replace platinum. Here, we present a first-principles study of ORR on nitrogen-doped graphene in acidic environment. We demonstrate that the ORR activity primarily correlates to charge and spin densities of the graphene. The nitrogen doping and defects introduce high positive spin and/or charge densities that facilitate the ORR on graphene surface. The identified active sites are closely related to doping cluster size and dopant-defect interactions. Generally speaking, a large doping cluster size (number of N atoms >2) reduces the number of catalytic active sites per N atom. In combination with N clustering, Stone-Wales defects can strongly promote ORR. For four-electron transfer, the effective reversible potential ranges from 1.04 to 1.15 V/SHE, depending on the defects and cluster size. The catalytic properties of graphene could be optimized by introducing small N clusters in combination with material defects.     

前驱体中N含量对FeN/C催化剂氧还原活性的影响研究

采用热解法制备FeN/C催化剂,考察催化剂前驱体中氮含量对其氧还原活性的影响. 使用X射线衍射、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜以及热重分析等方法对催化剂的结构、形貌及催化剂前驱体的热性质等进行表征,使用线性扫描伏安法对催化剂的氧还原活性进行测试. 结果表明,以1,10-菲啰啉为氮源,FeCl₃为铁源,Black Pearl 2000为载体,催化剂前驱体中1,10-菲啰啉含量为20wt%,Fe含量为1wt %时,热处理制备所得催化剂粒子分布均匀,比表面积为824.48 m ²·g ^-1,平均孔隙为10.58 nm,表面的氮元素含量为0.31wt%;并具有最好的氧还原催化活性.催化剂前驱体中氮源含量在热解过程中导致催化剂的比表面积、孔径结构及表面氮元素含量的变化是影响催化剂活性的关键因素.     

酸性和碱性溶液中金属氮碳材料氧还原和氢析出反应的理论研究

单原子催化剂(SAC)由于其低成本和在各种电催化反应中潜在的高催化活性而被认为是铂族金属的有前景的替代材料,但仍然缺乏对不同金属氮碳材料催化剂之间活性差异的原子机理的理解.在此,通过实验和理论研究相结合,研究了非贵金属氮碳材料(Me-N-C,Me = Fe和Co)作为模型催化剂,以探索在普遍的pH值下氧还原反应(ORR...     

铁、氮掺杂石墨烯/碳黑复合材料的制备及氧还原电催化性能

以高含氮量的2-氨基咪唑为氮源,三氯化铁为铁源,高比表面积的KJ600碳黑为载体,通过水热法制得氨基咪唑聚合物前驱体,再经二次高温热处理,制得石墨烯/碳黑复合材料. 透射电镜表征显示该材料为石墨烯纳米片与碳黑颗粒的复合结构. BET表征表明这是一种多孔结构,具有很高的比表面积（882 m²•g^-1）,这有利于暴露更多活性位点,并促进传质. XRD证实催化剂中存在石墨烯,且石墨烯结构是在第一次热处理过程中形成的. 电化学测试表明,该催化剂在酸性和碱性介质中都具有很高的氧还原电催化活性和低H₂O₂产率,并且在碱性介质中对甲醇小分子的抗毒化性能明显优于商业Pt/C催化剂,展示出在实际燃料电池系统中的应用潜力.     

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.