高温热裂解电催化剂Ketjen Black EC300J碳黑负载钴卟啉的氧还原性能

选用具有高介孔表面积和高导电性能的碳黑Ketjen Black EC 300J(简称KB)作为载体,制备了碳黑负载钴卟啉(CoTMPP/KB),经过900℃热处理后得到电催化剂,用于燃料电池阴极氧还原反应.利用循环伏安法(CV)研究了碳载体不同预处理方法以及高温热处理对碳黑负载钴卟啉电催化剂的氧还原催化性能的影响.结果表明,6 mol/L HNO3预处理可以很好地改善KB性能,碳黑负载钴卟啉经过900℃热处理得到的电催化剂,虽然其中钴卟啉的结构发生了裂解,但催化剂具有较好的氧还原催化性能,阴极峰值电位(Ep)及最大电容电流(Ip)均为最佳.采用IR、XRD、TEM和氮吸附/脱附等手段对KB碳黑以及电催化剂表面性质及微观结构进行了分析,经6 mol/L HNO3预处理的KB碳黑表面羟基(—OH)等含氧基团增多,团聚不明显,平均粒径约30 nm;孔结构主要由孔径分布较窄的中孔组成,是一种较好的电催化剂载体;经900℃热处理后,电催化剂结构中有CoC3(101)和金属态Co(111)结构出现,钴离子在碳黑表面的分散较好,平均孔径为8.2 nm,比表面积为463.4 m2/g.     

热处理温度对钴卟啉负载碳黑电催化剂的结构及氧还原性能的影响

制备了钴卟啉负载碳黑催化剂(CoTMPP/BP2000)用于燃料电池阴极氧还原反应. 利用循环伏安法研究了200～900 ℃热处理温度对催化性能的影响. 研究结果表明, 热处理能够提高CoTMPP/BP2000的催化活性, 热处理温度为900 ℃时, 催化剂的氧还原能力最好. 利用紫外-可见光谱、透射电镜、红外光谱、热重分析及X射线光电子能谱等手段研究了热处理温度对催化剂结构的影响. 结果表明, 热处理改变了催化剂的活性中心结构, 400 ℃以上热处理使催化剂中钴卟啉环的结构坍塌, Co—N4键断裂; 900 ℃高温下形成了稳定的Co—Nx—C结构, 新的活性位使催化剂的氧还原能力得到提高.     

二硫桥键钴卟啉二聚体的合成与电催化氧还原性能

成功合成了二硫桥键相连的钴卟啉二聚体2Co。通过循环伏安电化学方法测试,在无水二氯甲烷溶剂中,钴卟啉二聚体展示了3个氧化和2个还原峰,表明此钴卟啉二聚体可以稳定多重负/正电荷。详细研究了在酸性条件下的钴卟啉二聚体的电催化氧还原性能。钴卟啉二聚体的电催化氧还原显示了高稳定性和高活性,测得转移电子数为3.5~3.6之间。钴卟啉二聚体的电催化氧还原性能说明通过二硫键对钴卟啉单体二聚化可以提高钴卟啉的电催化氧还原性能。     

活性位高度暴露的钴/氮/碳电催化剂的构建及氧还原性能研究

金属/氮/碳催化剂（M/N/C，M=Fe、Co等）是最有发展前景的非贵金属电催化剂之一，其性能依赖于催化剂表面的活性物种密度.通过常规的热解含氮前驱物与金属盐的方法制得的催化剂往往存在金属活性物种被包埋而不能有效利用的缺点.考虑到石墨相氮化碳（g-C₃N₄）富含类吡啶氮和亚纳米孔腔结构，将g-C₃N₄包覆在高导电性碳纳米笼（hCNC）表面，进而利用表层g-C₃N₄的配位和限域作用锚定大量Co²⁺离子，获得的Co/g-C₃N₄/hCNC复合物经热解后形成了活性位高度暴露、导电性好、孔结构丰富的Co/N/C催化剂.800℃热解得到的最优化催化剂在碱性介质中展现出优异氧还原活性，其起始电位（0.97 V）与商业Pt/C催化剂相当，且抗甲醇干扰性能和稳定性优异.此项研究提供了一种构建具有高度暴露活性位的M/N/C催化剂的有效策略.     

氧还原和析氧反应的双功能电催化剂--氮磷共掺碳负载四氧化三钴

金属-空气电池具备诸多优势,譬如绿色环保、能量转化率高、启动快速、能量密度高、使用寿命和干态存储时间长等.与燃料电池相比,金属-空气电池结构简单,放电电压平稳,成本低,但依然存在一些制约发展的问题,如阴极催化剂.阴极催化剂在金属-空气电池中发挥催化氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)和析氧反应(oxygen evolution reac-tion, OER)的关键作用.铂及其合金常用作 ORR的单功能催化剂,而钌和铱等是目前 OER催化效率最高的,但 ORR活性很低,因此需要开发出一种廉价而又具备双功能催化作用的催化剂.单异原子掺杂的碳基催化剂的研究集中在 ORR催化性能上,而多异原子共掺碳最近有研究表明具有双催化氧的性质,如氮磷共掺碳.在这些氮磷共掺的碳架中,氮磷共掺物起着 OER催化作用,掺氮物为 ORR催化的活性位点,而掺磷物起着强化作用.异原子掺杂负载的钴基催化剂(如掺氮还原氧化石墨烯载 Co3O4)是近年来双功能催化剂研究的另一个热点.钴基催化剂有着催化 ORR和 OER的多价价态,然而其本身导电性能差,这一缺陷可通过杂化石墨化碳来弥补,石墨化碳有着优良的导电性能.据我们所知,目前仍没有关于氮磷共掺碳负载的 Co3O4双催化氧的研究.我们合成了氮磷共掺碳(NPC)负载的 Co3O4(Co3O4/NPC),并首次探索了其氧还原和析氧性能. Co3O4/NPC合成分两步进行.首先通过三聚氰胺与植酸之间的酯化或缩聚覆盖在导电炭黑颗粒表面,在保护气氛下焙烧得到 NPC,然后经溶剂热反应以及空气中氧化合成 Co3O4/NPC.催化剂的性能综合考虑了催化活性和稳定性两方面.采用线性扫描伏安法评估了 OER和 ORR的催化活性.对于 OER, Co3O4/NPC的起始电势是0.54 V (以饱和甘汞电极为参比电极),在0.80 V时电流密度达到21.95 mA/cm2,均优于 Co3O4/C和 NPC. Co3O4/NPC的高效 OER催化可归因于氮磷共掺物与 Co3O4之间的协同作用.对于 ORR, Co3O4/NPC的催化效率与商用 Pt/C相近,它们的扩散极限电流密度分别为–4.49和–4.76 mA/cm2(E =–0.80 V).在 ORR过程中, Co3O4起到主要的催化作用.采用计时电流(电流-时间)法评估了催化剂的稳定性.经6 h测定,对于 OER, Co3O4/NPC剩46%电流;而对于 ORR,剩95%电流.整体而言, Co3O4/NPC在 OER和 ORR中都表现出高的催化效率以及良好的稳定性.     

二乙胺基尾式卟啉钴的合成及其载氧性质

合成了1种新的尾式卟啉钴--间-[邻-(4-二乙胺基丁酰胺基)苯基]三苯基卟啉合钴(Ⅱ)配合物,测定了电子光谱、红外光谱、质谱、电子自旋波谱,研究了这种尾式卟啉钴与有机碱和双原子小分子CO、NO的轴向反应及其可逆载氧性质.     

钴卟啉修饰电极对分子氧电催化还原的扫描隧道显微镜研究

利用扫描隧道显微镜(STM)研究了高定向热解石墨(HOPG)和玻璃碳电极(GC)表面的性质, 并对修饰钴卟啉后的表面形貌变化进行了探讨。结合修饰钴卟啉前后的循环伏安结果和STM形貌图, 讨论了电极表面的结构对分子氧的电催化还原反应的影响。从微观角度阐述了GC电极对氧的电催化还原活性明显高于HPOG电极的内在因素,为修饰电极的表面性能研究提供了经验。     

氮、硫共掺杂的碳负载的钴@碳化钴:一种高效的非贵金属氧还原电催化剂

Development of high-efficiency and low-cost electrocatalysts for large-scale oxygen reduction reaction (ORR) remains a challenge. In this study, we employed melamine, trithiocyanuric acid, and cobaltous nitrate to fabricate a novel ORR electrocatalyst with cobalt and cobalt carbide supported on carbon co-doped with nitrogen and sulfur (hereafter referred to as MTC-0.1-900) by two-step pyrolysis. The MTC-0.1-900 was characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Brunauer-Emmett-Teller (BET) specific surface area analysis, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The electrochemical performance for ORR was investigated by cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry in 0.1 mol·L^-1 KOH solutions. The results showed that the onset potential and half-wave potential of MTC-0.1-900 were 29 and 5 mV superior to the commercial Pt/C catalyst, respectively. After 12000 s operation at the potential of -0.3 V (vs Ag/AgCl), the current retention capacities of MTC-0.1-900 and Pt/C were 97.1% and 76.7%, respectively. MTC-0.1-900 also showed better methanol tolerance than Pt/C. These unique properties of MTC-0.1-900 provide us with an alternative for replacing or reducing the use of Pt catalyst in metal-air battery cathode materials.     

Iodine‐Doped Cobalt Phthalocyanine Supported on Multiwalled Carbon Nanotubes for Electrocatalysis of Oxygen Reduction Reaction

4‐(4,6‐Diaminopyrimidin‐2‐ylthio) phthalocyaninatocobalt(II) (CoPyPc) was iodine doped, and its electrocatalytic properties explored. Physical characterization techniques such as UV‐vis, X‐ray photoelectron, electron paramagnetic resonance and infra‐red spectroscopy were used. Cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy and rotating disk electrode were used for electrochemical characterization of electrodes modified with the prepared phthalocyanine and its nanocomposites. The electrocatalytic effect of a new iodine‐doped cobalt phthalocyanine derivative supported on multiwalled carbon nanotubes was then investigated towards oxygen reduction reaction. The electrocatalytic activity of the iodine‐doped cobalt phthalocyanine was found to be superior in terms of current over the undoped phthalocyanine nanocomposite.     

三维氮掺杂石墨烯气凝胶负载钴酞菁作为高效的氧气还原反应催化剂

通过两步溶剂热法制备得到三维氮掺杂石墨烯与吡啶氧基钴酞菁的复合材料(CoTPPc/NGA).该复合材料具有优良的氧气还原性能,在起峰电位和半波上接近商业化的铂碳催化剂(Pt/C),且在稳定性和抗甲醇性能上优于铂碳催化剂,有望代替铂碳催化剂成为碱性直接甲醇燃料电池的阴极催化剂.     

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.     

Anthraquinonedisulfonate Doped Polyaniline as an Acceptor‐Donor System for Electrocatalysis of Oxygen Reduction

A stable polyaniline (PANI) film doped with anthraquinonedisulfonate (AQDS) on glassy carbon (GC) electrode is obtained in acidic solution. The electrochemical behavior of PANI/AQDS film coincides with the donor–acceptor (DA) intramolecular interaction, while the doped AQDS behaves as a two‐electron two‐proton transfer process during redox reaction. This GC/PANI/AQDS electrode shows high electrocatalytic activity and irreversible electron‐transfer characteristic for O₂ two‐electron reduction. Tafel behavior analysis suggests that the oxygen reduction kinetics are different at certain potential regions on this electrode. Possible mechanism of oxygen reduction on the GC/PANI/AQDS electrode points to a similar Schottky diode characteristic.     

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.