氮掺杂碳纳米管高负载金属催化剂在铝空气电池中的应用

在铁基催化剂(Fe-N-C)中引入金属铈,采用高温热解法合成了氮掺杂碳纳米管(NCNTs)高负载金属催化剂(Fe/Ce-NCNTs)。金属铈的引入能更好地促进碳纳米管(CNTs)的生长,锚定更多的铁原子,增加 Fe—N_X活性位点的数量。Fe/Ce-NCNTs催化剂在碱性介质中表现出良好的催化活性和稳定性,半波电位为 0.86 V(vs RHE)。将 Fe/Ce-NCNTs催化剂应用于铝空气电池(AABs),其峰值功率密度可达142 mW·cm^-2,在50 mA·cm^-2电流密度下放电比容量达到865 mAh·g^-1,在高电流密度负载下具有较高的电压。     

石墨烯基氧还原催化剂在金属空气电池中的应用

随着金属空气电池技术的不断发展,氧还原催化剂成为限制其动力化的最主要瓶颈之一。近几年来,石墨烯基氧还原催化剂(GORRC)由于优异的氧还原催化活性而备受关注。本文结合石墨烯基氧还原催化剂的研究现状,将其分为三类:石墨烯作氧还原催化剂载体,氮掺杂石墨烯作为氧还原催化剂,以及氮掺杂石墨烯与其他催化剂形成的复合催化体系,并对这三种石墨烯基氧还原催化剂进行了详细的综述。石墨烯作为一种优良的催化剂载体,能够显著降低活性物质负载量,提高氧还原催化剂的催化活性和长期稳定性。氮掺杂石墨烯显示了优良的氧还原催化性能。氮掺杂石墨烯与其他催化剂复合后,由于两者之间的相互作用,可得到性能更为优异的氧还原催化剂。最后,本文还对石墨烯基氧还原催化剂及其在金属空气电池中的研究前景和发展方向进行了展望,指出了将来的研究重点。     

基于氮掺杂碳载铁复合物的锌空电池氧阴极催化剂

迫在眉睫的环境和能源问题推动人类探索可行、可靠和可再生的能源技术.锌-空气电池和氢氧燃料电池等器件显示出高能量转换效率,但是仍有许多难题有待克服,例如阴极侧上缓慢的氧还原反应(ORR),以及高昂的成本极大地限制了铂基催化剂在商业上的广泛应用.因此,开发高性能的廉价ORR催化剂具有重要意义.过渡金属碳氮化合物(M-N-C, M=Co, Fe等)成为最有希望替代铂基催化剂的一类材料, M-N-C催化剂可以通过直接热解含有过渡金属、氮和碳物种的前驱体合成.然而热解时金属原子易团聚,多孔结构不能被有效地控制,导致相对较差的催化活性.目前, MOF衍生的催化剂在能源转化和储存技术中得到了广泛的关注,其具有丰富的氮含量、高比表面积和可调的孔道结构等特点.本文报道了一种简便可靠可控的合成铁氮共掺杂碳十二面体纳米结构催化剂的方法,并作为阴极电催化剂用于锌空气电池中,测试结果证实,合成的铁氮共掺杂的纳米碳具有与铂基材料相当的活性和更加优异的稳定性.表面吸附了的邻菲罗啉铁的ZIF-8在碳化过程中,氮基团能够结合铁形成Fe Nx结构单元,因此可得到铁氮共掺杂的电催化剂.粉末X射线衍射,扫描电镜证实ZIF-8的成功合成.经过热解得到的催化剂中Fe Nx或Fe Cx衍射峰较弱,表明样品中铁含量较低,存在部分无定型铁.通过拉曼光谱分析发现,引入的邻菲罗啉在热解过程中诱导了缺陷的形成,所以Fe-NCDNA-0的ID/IG比值明显高于NC.同时ID/IG随着铁含量的增加而减少,这是因为铁可以诱导石墨化,诱导效应随着铁含量的增加而增加.分析氮气吸附-脱附等温线得出,引入邻菲罗啉之后,比表面积增加;而铁的引入因其占据了微孔结构,导致比表面积下降.同时电镜证实Fe-NCDNA-2具有较大的形貌扭曲,使得该材料具有较大的比表面积.系统的电化学研究表明,氮掺杂有利于增强ORR活性,在引入铁之后形成高效的活性中心会进一步提高催化性能.因此, Fe-NCDNA-2在碱性条件下表现出优异的ORR性能.线性扫描伏安法曲线表明,铁氮共掺杂的材料表现出与Pt/C相似的性能,其中Fe-NCDNA-2的半波电位(E1/2)为0.863 V,比商业Pt/C的电位更正(E1/2=0.841 V).同时, Fe-NCDNA-2具有更加优异的稳定性,测试30000 s后的电流保持率为80%(Pt/C:64%).在中性介质中,合成的材料也展示了较高的ORR活性.Fe-NCDNA-2的E1/2=0.715 V,催化30000 s后电流保持率77%,均优于商业Pt/C催化剂.组装的锌空气电池进一步验证其作为氧还原催化剂实际应用的可行性.相比于以Pt/C为催化剂做空气阴极的电池,以Fe-NCDNA-2组装的电池表现出更高的开路电压,更高的功率密度(184 m Wcm^-2),以及更加优异的充放电循环稳定性.该工作也有利于启发研究人员探索类似的氮掺杂过渡金属碳材料在各种催化上的应用.     

金属空气电池阴极氧还原催化剂研究进展

随着能源危机加剧和生态环境恶化, 可持续发展能源受到更大的重视. 金属空气电池作为一种绿色能源是具有很大发展潜力的新一代电池. 与传统电池相比, 此类电池有着更高的理论能量密度, 尤其是锂空电池, 能量密度可达3505 Wh/kg, 然而阴极缓慢的氧还原反应成为制约其发展的关键因素之一. 在简要介绍氧还原反应机理基础上, 着重介绍了近年来氧还原催化剂如贵金属及其合金、过渡金属氧化物/硫化物、功能化碳材料和金属氮化物的研究进展, 并根据目前所存在问题指出未来研究方向, 包括深入研究氧还原反应机理, 明确催化剂活性位; 研究催化剂结构等对催化活性的影响, 优化制备条件, 以提高催化活性和稳定性; 根据氧还原机理设计开发新型氧还原催化剂.     

多孔钙钛矿型氧还原催化剂在柔性铝空气电池中的应用研究

钙钛矿型催化材料作为贵金属的低成本替代物受到广泛关注,其用作氧还原反应催化剂具有非常可观活性和稳定性.目前相关工作主要集中在使用钙钛矿制备技术影响元素组成、形态、表面积和结构控制等方面.对于普遍存在的钙钛矿(ABO₃)材料而言,制备过程煅烧温度较高导致合成材料比表面积通常较小,限制了其在非均相催化反应中活性的提升.本文借助无机模板SiO₂制备具有高活性的大比表面的钙钛矿型催化材料La_0.7Sr_0.3MnO₃(LSMO).测试结果表明,模板法LSMO具有非常可观的比表面积(31.1825m²·g^-1),用在柔性铝空气电池中放电电压相比于无模板法和溶胶凝胶法可分别提高8.2%和24.5%,且在大电流放电下性能衰退明显减缓.在电池变形状态下,输出电压可稳定在1.38 V以上.不仅为燃料电池商业化提供了解决方案,同时为未来可变性电源发展提供了新方向.     

基于氮掺杂碳载铁复合物的锌空电池氧阴极催化剂（英文）

迫在眉睫的环境和能源问题推动人类探索可行、可靠和可再生的能源技术.锌-空气电池和氢氧燃料电池等器件显示出高能量转换效率,但是仍有许多难题有待克服,例如阴极侧上缓慢的氧还原反应(ORR),以及高昂的成本极大地限制了铂基催化剂在商业上的广泛应用.因此,开发高性能的廉价ORR催化剂具有重要意义.过渡金属碳氮化合物(M-N-C, M=Co, Fe等)成为最有希望替代铂基催化剂的一类材料, M-N-C催化剂可以通过直接热解含有过渡金属、氮和碳物种的前驱体合成.然而热解时金属原子易团聚,多孔结构不能被有效地控制,导致相对较差的催化活性.目前, MOF衍生的催化剂在能源转化和储存技术中得到了广泛的关注,其具有丰富的氮含量、高比表面积和可调的孔道结构等特点.本文报道了一种简便可靠可控的合成铁氮共掺杂碳十二面体纳米结构催化剂的方法,并作为阴极电催化剂用于锌空气电池中,测试结果证实,合成的铁氮共掺杂的纳米碳具有与铂基材料相当的活性和更加优异的稳定性.表面吸附了的邻菲罗啉铁的ZIF-8在碳化过程中,氮基团能够结合铁形成Fe Nx结构单元,因此可得到铁氮共掺杂的电催化剂.粉末X射线衍射,扫描电镜证实ZIF-8...     

金属-空气电池阴极双功能催化剂研究进展

可充电金属-空气电池因具有超高的能量密度被认为是最有发展前景的能源存储与转换装置之一.阴极电化学氧还原/生成反应缓慢动力学是影响金属-空气电池性能的关键因素,因此其充放电过程需要双功能催化剂进行催化.在此我们详细论述了近年来开发的新型双功能催化剂,包括贵金属、碳材料、过渡金属氧化物和复合材料.其中,强耦合过渡金属氧化物/纳米碳复合物成为新一代具有高催化活性的氧催化材料.最后,基于目前所存在的问题提出了几个未来可能的研究方向.     

P修饰提高Fe-N-C的氧反应活性用于高稳定的锌-空气电池（英文）

生物质碳基材料具有可调的微观结构、丰富的表面活性中心、优良的导电和导热性能以及较大的比表面积,已经成为新能源领域的重要基础材料.然而,应用于锌-空气电池中时,碳基材料高电位下的碳腐蚀问题严重影响了电池的稳定性,因此,开发具有低过电位的析氧反应(OER)催化剂来降低充电电压是解决该问题的关键.本课题组采用一种低温磷化策略制备了具有低OER过电位的P修饰的Fe₃O₄/Fe₂N和生物质碳复合催化剂(P-Fe₃O₄/Fe₂N@NPC),其具有较好的双功能氧反应活性,氧还原反应(ORR)的半波电位为0.86 V,仅需要280 m V的OER过电位就可以达到10 m Acm^-2的电流密度.以P-Fe₃O₄/Fe₂N@NPC作为正极组装的锌-空气电池表现出低的充放电电压差和长期稳定性,在目前报道的碳基催化剂应用于锌-空气电池中具有很大优势.此外,采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光...     

高效的尖晶石铁钴氧/氮掺杂有序介孔碳催化剂应用于可充电锌-空气电池

以电催化为核心的新能源储存和转换技术为缓解能源与环境问题提供了有效手段.可充电锌空气电池因其理论能量密度(1086 Wh·kg–1)高、成本效益显著、安全系数高、环境友好及放电平稳等优点被认为是一种具有前景的能源存储/转换装置,有望在新能源汽车、便携式电源等领域广泛应用.氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)是锌-空气电池中的核心反应,目前,虽然贵金属催化剂对上述反应表现出一定的电催化活性,但由于其稀缺性、高昂价格和低稳定性因素严重阻碍了它们在锌-空气电池中的广泛应用.而非贵金属催化剂所面临的瓶颈在于ORR/OER反应动力学缓慢,导致其在实际应用过程中存在电压效率低和催化剂腐蚀等问题.因此,为了推进锌-空气电池商业化进程,研制低成本、高效、稳定的非贵金属催化剂迫在眉睫.本文通过一步法将双金属前驱体嵌入氮掺杂有序介孔碳(NOMC)中,合成了具有尖晶石型铁钴氧化物的高性能非贵金属电催化剂(FexCo/NOMC,x代表铁钴的摩尔比).实验结果表明,在x=0.5时,所制备的催化剂具有最佳的催化活性,与商业贵金属催化剂相比,该催化剂展现更优的电催化活性和稳定性.电化学测试结果表明,其ORR的半波电位为0.89 V(vs.RHE),当OER电流密度为10 mA·cm–1时,过电势仅为0.31 V,且电流-时间曲线测试结果表明催化剂表现出较好的稳定性.通过X射线光电子能谱(XPS)、穆斯堡尔谱(M?ssbauer)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和拉曼光谱(Raman)等表征手段对电催化剂的物化性质进行表征,结果表明该材料优异的氧电催化性能归因于双金属氧化物的电子调控作用、NOMC的介孔结构、高导电性和高比表面积,其ORR与OER的催化活性位点分别是氮活化的碳(N-C)和双金属氧化物.以优化的Fe0.5Co/NOMC为正极组装可充电锌-空气电池,该电池在空气环境下展现出优良的充放电性能,其在电流密度为100 mA·cm–2条件下操作时能量密度达到820 Wh·kg–1,在1.0 V时功率密度达到153 mW·cm–2,它还表现出较好的稳定性,经过144 h的循环实验,活性没有明显下降.本文不仅制备了一种有前景的尖晶石型氧化物碳基氧电催化材料,还为高效氧电催化剂的合理开发与构筑提供了一条新的思路.     

锌-空气电池双功能催化剂研究进展

锌-空气电池因其拥有理想的能量密度和功率密度,并有望在能源转化与储存领域的广泛应用,引起国内外研究者的高度关注. 其中,空气电极作为氧催化反应的核心区域,更是整个锌-空气电池研究的重点. 近年来,非贵金属双功能催化剂及其电极以其高活性、低成本以及种类丰富等特点取得了较多的研究成果. 本文综述了非贵金属氧化物催化剂、碳基催化剂、碳载过渡金属化合物复合材料以及自支撑电极在锌-空气电池中的反应机制和研究进展,提出了高效双功能催化剂的构建策略,并对双功能催化剂/电极的发展趋势进行了展望.     

氮掺杂碳纳米管负载的Ru和Pd催化剂上异丙醇的转化(英文)

Ru and Pd (2 wt%) loaded on pure and on Ndoped carbon nanotubes (NCNTs) were prepared and tested using the isopropyl alcohol decomposition reaction as probe reaction. The presence of nitrogen functionalities (pyridinic, pyrrolic, and quaternary nitrogen) on the nitrogen doped support induced a higher metal dispersion: Pd/NCNT (1.8 nm) Pd/CNT (4.9 nm), and Ru/NCNT (2.4 nm) Ru/CNT (3.0 nm). The catalytic activity of the supports was determined first. Isopropyl alcohol conversion produces acetone on CNTs while on NCNTs it led to both dehydration and dehydrogenation products. At 210 °C and in the presence of air, the isopropyl alcohol conversion was higher on the NCNTs (25%) than on the CNTs (11%). The Pd loaded catalysts were more active and more selective than the Ru ones. At 115 °C, the Pd catalysts were 100% selective towards acetone for a conversion of 100%, whereas the Ru catalysts led to dehydration and dehydrogenation products. The nitrogen doping induced the appearance of redox properties when oxygen is present in the reaction mixture.     

Carbon nanotubes as a support for Pt-and Pt-Ru-catalysts of reactions proceeding in fuel cells

Comparative study of two types of single-wall carbon nanotubes and standard carbon black Vulcan XC-72 as supports for catalysts of reactions proceeding in fuel cells is carried out. The nanotubes were prepared by arc method; they differed in the degree of their purifying from amorphous carbon and metal impurities. The structure and hydrophobic-hydrophilic properties of these carbon supports are studied by etalon porosimetry. The effect of the supports’ specific surface area on the deposited catalyst particles size and specific surface area is studied. The catalysts (Pt-Ru and Pt) were deposited from aqueous solutions of their salts. Platinum was also deposited by thermal decomposition of ethoxy clusters. It is shown that in methanol oxidation reaction at the Pt-Ru catalysts the current values per unit true surface area do not depend on the support nature, provided the catalyst loading is equal and the particle size is similar. When oxygen is reduced at platinum deposited onto purified nanotubes and the carbon black Vulcan XC-72, specific kinetic currents also are close to each other. It is shown that the degree of nanotubes purification and their structure affect the kinetics of this reaction significantly.     

基于镍/氮掺杂碳复合材料的双功能电催化剂合成及电化学性能研究

通过高温热解氢氧化镍/聚苯胺前驱体,制备了镍/氮掺杂碳复合材料,并作为双功能电催化剂应用于可充电锌-空气电池.利用X射线衍射、透射电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱等对样品的形貌与结构进行表征,并利用电化学工作站与旋转圆盘电极对样品的氧还原与氧析出电催化性能进行测试.线性扫描伏安曲线的结果表明,在0.1 M KOH水溶液...     

Cu/Cu_2O nanoparticles co-regulated carbon catalyst for alkaline Al-air batteries

Developing high-efficiency,inexpensive,and steady non-precious metal oxygen reduction reaction(ORR) catalysts to displace Pt-based catalysts is significant for commercial applications of Al-air battery.Here,we have prepared the Cu/Cu_2 O-NC catalyst with excellent ORR performance and high stability,due to the synergistic effect of Cu and Cu_2 O nanoparticles.The half-wave potential(0.8 V) and the limiting-current density(5.20 mA/cm~2) of the Cu/Cu_2 O-NC are very close to those of the 20% Pt/C catalyst(0.82 V,5.10 mA/cm~2).Besides,it exhibits excellent performance with a maximal power density of 250 mW/cm~2 and a stable continuous discharge for more than 90 h in the Al-air battery test The promoting effects of Cu_2 O towards Cu-based ORR catalysts are illustrated as follows:(ⅰ) Cu_2 O is the major ORR active site by the redox of Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ),which provides excellent ORR activities;(ⅱ) Cu can stabilize the location of Cu_2 O by assisting the electron transfer to Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ) redox,which is conducive to the high stability of the catalyst.This work provides a useful strategy for enhancing the ORR performance of Cu-based catalysts.     

Co-Co9S8/N掺杂科琴黑复合材料的制备及其氧还原反应催化性能

采用普鲁士蓝类似物作为前驱体,结合高温煅烧,制备了高导电碳(氮掺杂科琴黑)支撑、单金属引入的Co-Co_9S_8/N-KB氧还原反应(ORR)催化剂。研究了煅烧温度对ORR催化性能的影响。结果发现,在800℃下进行煅烧,所得催化剂的ORR催化活性最大,其起始电位和半波电位分别为0.93和0.83 V,与商业级Pt/C相当,并且极限电流密度高达5.7 mA·cm~(-2)。该催化剂的稳定性也十分优异,经过10 000 s长时间持续催化后电流密度还能保持初始值的95.6%;在0.5～1.0 V之间进行5 000次循环的加速老化实验之后,其半波电位仅偏移了8.6 mV。此外,在铝-空气全电池应用中,在50 mA·cm~(-2)的放电电流密度下,Co-Co_9S_8/N-KB催化剂的放电电压可达1.53 V,高于商业级Pt/C。