电催化剂纳米碳基载体的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因具有工作温度低、结构紧凑、无腐蚀、启动快和灵活性好等优点,受到人们广泛关注.但其工作时动力学迟缓且易受CO毒化影响,往往需要负载Pt等贵金属催化剂,导致PEMFCs的成本高昂,阻碍了其商业化应用.为提高Pt贵金属的利用率,通常将Pt负载在载体材料上来提高Pt的分散性以减少Pt颗粒集聚...     

利用MOF-253衍生氮掺杂碳限域效应促进Pt纳米单晶电催化剂的氧析出反应

目前,为了有效解决电化学能量转化反应动力学过程缓慢和商业化应用等问题,需要大力提高催化剂的电催化活性和稳定性,并大幅降低贵金属催化剂的用量.通常,铂(Pt)基催化剂对燃料电池的氧还原反应(ORR)和水电解过程的氢析出反应(HER)表现出很高的活性.然而,对于高效的金属-空气电池和水电解装置,其中的氧析出反应(OER)则需要高活性的非Pt电催化剂来降低电化学过电位及提高其对高电位的耐受性.虽然相较于Pt催化剂,IrO2和RuO2等贵金属催化剂表现出了更高的OER活性,然而,它们的稳定性差,难以满足实际应用需求,严重阻碍了其在金属-空气电池和水电解中的应用.通常,Pt对OER的低效催化主要归因于在OER电催化过程中Pt与电解液直接接触,导致Pt表面快速被氧化,形成Pt氧化物(Pt^+4O2和Pt^+2O)层.形成的Pt氧化物对OER不起催化作用,从而降低了Pt的利用率和总的水电解效率.为了避免Pt表面的快速氧化,实现高的OER性能,我们将Pt金属纳米粒子有效地限域在超薄功能多孔碳层内.前期,已有大量的有关金属基ORR和HER催化剂研究证明,这种策略对于稳定金属纳米颗粒非常有效,可有效避免金属催化剂的快速氧化,而且还可抑制金属颗粒迁移和团聚;此外,还有利于增强催化剂的导电性和离子物种的扩散能力,从而提高催化剂的电催化性能.然而,要达到提高金属催化剂OER电催化性能的目的,还需要设计一种具有优良结构的功能化异质原子掺杂多孔碳基限域材料.金属有机框架(MOF),特别是MOF-253,由于具有较高的柔韧性、丰富的孔、可控的几何结构和高比表面积,被认为是制备功能多孔碳基限域材料的理想前驱体.为此,通过结合功能多孔碳基材料的限域作用及MOF-253和超细Pt纳米单晶的优势,本文合成了MOF-253衍生氮掺杂碳(N/C)限域的Pt纳米单晶(Pt@N/C)核壳型电催化剂.制备的Pt-N-C框架不仅具有超薄的氮掺杂活性多孔碳保护层壳体(平均厚度为0.51 nm),还有具高度分散和稳定化的Pt纳米单晶核体;值得指出的是,因受到碳层的限域作用,即使经900℃的高温处理,Pt纳米单晶仍保持了较小的晶体尺寸(平均粒径仅为6.7 nm);此外,该催化剂的Pt载量较低,仅为6.1wt%(Pt@N/C-10).将其作为OER电催化剂,表现出优异的OER性能:在10 mA cm^-2电流密度下,其过电位仅为298 mV,低于商业IrO2催化剂(353 mV);而且,经2000周加速电位扫描后,其电位仅降低19.4 mV,也低于IrO2(23.3 mV).本文很好地证明了通过构建空间限域结构可以有效解决Pt等金属催化剂因表面氧化而导致OER动力学活性和稳定性低的问题.     

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.     

氮掺杂泡沫碳电催化剂的制备及氧还原性能

利用水解乙烯基咪唑翁硝酸盐([Hvim]NO3)作为发泡剂和一次氮源,在碳化过程中实现材料自发泡.创造性地引入二次氮源三聚氰胺(C3H6N6),通过调控一次、二次氮源比例和碳化温度,制备得到氮掺杂泡沫碳材料(HxMy-T,其中x∶y为一次和二次氮源的质量比,T对应不同的碳化温度).该方法提升了催化剂的氮掺杂含量,构建了...     

氮掺杂泡沫碳电催化剂的制备及氧还原性能

利用水解乙烯基咪唑鎓硝酸盐（[Hvim]NO₃）作为发泡剂和一次氮源,在碳化过程中实现材料自发泡。创造性地引入二次氮源三聚氰胺（C₃H₆N₆）,通过调控一次、二次氮源比例和碳化温度,制备得到氮掺杂泡沫碳材料（HxMy-T,其中x：y为一次和二次氮源的质量比,T对应不同的碳化温度）。该方法提升了催化剂的氮掺杂含量,构建了更多有利于氧还原反应（ORR）的活性氮位点。电镜结果显示,催化剂H1M1-1000呈现出典型的泡沫碳孔洞结构和丰富的层状褶皱结构;X射线光电子能谱测试结果表明,该样品具有较高的活性氮含量（原子分数6.77%）,吡啶氮和石墨氮的原子分数分别高达22.23%和55.59%;电化学测试结果表明,该样品在碱性环境中的半波电位为0.834 V（vs RHE）,与商业Pt/C相当,且具有优于商业Pt/C的抗甲醇性能和稳定性。     

利用MOF-253衍生氮掺杂碳限域效应促进Pt纳米单晶电催化剂的氧析出反应（英文）

目前,为了有效解决电化学能量转化反应动力学过程缓慢和商业化应用等问题,需要大力提高催化剂的电催化活性和稳定性,并大幅降低贵金属催化剂的用量.通常,铂(Pt)基催化剂对燃料电池的氧还原反应(ORR)和水电解过程的氢析出反应(HER)表现出很高的活性.然而,对于高效的金属-空气电池和水电解装置,其中的氧析出反应(OER)则需要高活性的非Pt电催化剂来降低电化学过电位及提高其对高电位的耐受性.虽然相较于Pt催化剂,IrO₂和RuO₂等贵金属催化剂表现出了更高的OER活性,然而,它们的稳定性差,难以满足实际应用需求,严重阻碍了其在金属-空气电池和水电解中的应用.通常,Pt对OER的低效催化主要归因于在OER电催化过程中Pt与电解液直接接触,导致Pt表面快速被氧化,形成Pt氧化物(Pt⁺⁴O₂和Pt⁺²O)层.形成的Pt氧化物对OER不起催化作用,从而降低了Pt的利用率和总的水电解效率.为了避免Pt表面的快速氧化,实现高的OER性能,我们将Pt金属纳米粒子有效地限域在超薄功能多孔碳层内....     

长春应化所金属氮碳氧还原催化剂的研究进展

氧还原反应是燃料电池的核心,开发高性能催化剂一直是燃料电池技术面临的严峻挑战. 近年来,热解M-N-C催化剂的发展和以金属有机骨架材料为前驱体的运用让非贵金属氧还原催化剂的性能大幅度提升,但催化活性位点、反应机理等方面仍不甚清晰,需要分子水平上进一步的研究. 在这里,作者总结了本课题组近些年来在氧还原方向上的研究成果,首先是对催化剂活性位点进行的相关探索,提出了新的活性位点结构,为开发新型催化剂提供了帮助,并对金属氮碳催化剂进行了细致的微观调控,探讨了最佳的合成方法;其次开发了高效的双原子Co₂N₅催化剂,并在理论计算的指导下合成出了更为高效的FeCo双原子催化剂,具备了替代铂基催化剂的性能;最后针对芬顿反应引发的稳定性问题而开发的低芬顿反应活性的单原子Cr和单原子Ru催化剂,表现出了较高的活性和稳定性,为解决催化剂实际应用问题开辟了新的研究思路与方向. 作者相信,通过对催化剂活性位点的不断认知和对新型催化剂的不断开发,终会让非贵金属催化的商业化应用成为现实.     

PEMFC催化剂的研究：自制Pt/C电催化剂的性质

研究了一种用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的自制Pt/C电催化剂(标记为THYT-1)的物理化学和电化学性质.将THYT-1电催化剂与E-TEK公司的同类电催化剂的组成、形态及电催化性能进行了比较.单电池测试结果显示, THYT-1的电催化性能优于E-TEK电催化剂. CV测试结果表明CO在这两种电催化剂上的电氧化性能相近；TEM分析表明两种催化剂上Pt晶粒在炭载体上呈均匀分布，平均粒径均为2～3 nm； XPS和XRD测试结果表明两种催化剂中Pt主要以金属态存在.这些数据表明THYT-1催化剂的物理化学性质与E-TEK公司的相类似.     

碳基无金属氧还原电催化剂研究的新进展

以替代铂为目标的高性能廉价氧还原电催化剂的研究为当今科学前沿. 近年来人们发现, 掺杂的碳基纳米结构具有催化活性高、稳定性好、资源丰富、抗CO和抗甲醇能力强等优点, 是一种新型无金属氧还原电催化剂, 具有替代铂基催化剂的潜力. 本文结合作者课题组的最新研究成果, 简要综述了碳基无金属氧还原电催化剂研究的主要进展, 重点关注了富电子氮和缺电子硼单/共掺杂的碳纳米结构的氧还原催化性能及其与电子结构的关系, 展望了碳基无金属氧还原催化剂的发展策略与前景.     

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.     

直接甲醇燃料电池阴极耐甲醇Pd-Co/C电催化剂的制备与表征

以NaBH4为还原剂,采用共还原法和分步还原法制备了粒径分布均匀的Pd/C和Pd-Co/C电催化剂.X射线衍射、透射电镜、电化学循环伏安和旋转厕盘电极等表征结果表明,与Pd/C电催化剂相比,两种方法制备的Pd-Co/C电催化剂的晶格常数明显缩小,其中分步还原法制备的电催化剂不仅具有良好的氧还原活性,而且表现了良好的耐甲醇性能.     

燃料电池Pt基核壳结构电催化剂的最新研究进展

综述了用于燃料电池的Pt基核壳结构电催化剂的制备方法和表征方法的最新研究进展.首先,详细介绍了核壳结构催化剂的制备方法,主要包括胶体法、电化学法和化学还原法等.其中胶体法的应用最为广泛,制备过程简单易控;电化学法和化学还原法在最近几年得到了迅速发展,并有望用于核壳结构电催化剂的批量化生产.其次,简单阐述了核壳结构电催化剂特用的表征方法.其中高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜是近年来发展的一种新技术,它利用暗场强度与原子序数的比例关系可以有效地表征核壳电催化剂的特殊结构.最后,总结了存在的问题并展望了可能的发展方向.     

FeNi Alloy Nanoparticles Encapsulated in Carbon Shells Supported on N-Doped Graphene-Like Carbon as Efficient and Stable Bifunctional Oxygen Electrocatalysts

The development of cost-effective and durable oxygen electrocatalysts remains highly critical but challenging for energy conversion and storage devices. Herein, a novel FeNi alloy nanoparticle core encapsulated in carbon shells supported on a N-enriched graphene-like carbon matrix (denoted as FeNi@C/NG) was constructed by facile pyrolyzing the mixture of metal salts, glucose, and dicyandiamide. The in situ pyrolysis of dicyandiamide in the presence of glucose plays a significant effect on the fabrication of the porous FeNi@C/NG with a high content of doped N and large specific surface area. The optimized FeNi@C/NG catalyst displays not only a superior catalytic performance for the oxygen reduction reaction (ORR, with an onset potential of 1.0 V and half-wave potential of 0.84 V) and oxygen evolution reaction (OER, the potential at 10 mA cm⁻² is 1.66 V) simultaneously in alkaline, but also outstanding long-term cycling durability. The excellent bifunctional ORR/OER electrocatalytic performance is ascribed to the synergism of the carbon shell and FeNi alloy core together with the high-content of nitrogen doped on the large specific surface area graphene-like carbon.     

微波溶剂热法制备掺氮石墨烯用于碱性氧还原反应

采用微波处理氧化石墨烯(GO)与乙二醇(EG)、乙二胺(ED)混合液的方法制备氮掺杂石墨烯(NG),使用旋转圆盘电极对NG催化氧还原在碱性溶液中反应进行研究,并考察了不同微波辐射时间、ED与EG之比对反应性能的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)研究了NG催化剂的结构与性质。相比于未掺氮的石墨烯样品,NG表现出更正的起始电位和接近四电子的转移过程。NG中掺杂氮原子的键合方式通过XPS进行表征,结果表明起始电位的高低取决于石墨氮含量。此外,所有表征结果表明总氮含量与氧还原反应性能没有直接关系。     

Hollow-Structure Pt-Ni Nanoparticle Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction

An electrocatalyst with high oxygen reduction reaction (ORR) activity and high stability during start–stop operation is necessary. In this paper, hollow-structure Pt-Ni electrocatalysts are investigated as ORR catalysts. After synthesis via sacrificial SiO₂ template method, the electrocatalyst exhibits much higher specific activity (1.88 mA/cm²) than a commercial Pt/C catalyst. The mass activity (0.49 A/mg) is 7 times higher than the commercial Pt/C catalyst. The kinetics of the ORR is evaluated using Tafel and K-L plots. It also exhibits a higher durability than commercial Pt/C catalyst during accelerated durability test (ADT). Moreover, the electrocatalyst shows good resistance against accelerated durability test for start–stop, the specific activity and mass activity drops 34.6% and 40.8%, respectively, far better than the commercial catalyst.     

钯基氧还原和乙醇氧化反应电催化剂:关于结构和机理研究的一些近期见解

质子交换膜燃料电池和直接乙醇燃料电池已成为可持续性清洁能源研究的一个聚焦点.在燃料电池中,氧还原反应和乙醇氧化反应是两个重要的反应,其相关高活性、高稳定性并且廉价的催化剂的研发仍然存在很多问题,极大地制约了燃料电池的大规模商业化应用.其中的挑战主要来自于对纳米催化剂结构和反应机理的有限认识.由于实验表征理论计算的结合,...     

Non-PGM Electrocatalysts for PEM Fuel Cells: A DFT Study on the Effects of Fluorination of FeNx-Doped and N-Doped Carbon Catalysts

Fluorination is considered as a means of reducing the degradation of Fe/N/C, a highly active FeN_x-doped disorganized carbon catalyst for the oxygen reduction reaction (ORR) in PEM fuel cells. Our recent experiments have, however, revealed that fluorination poisons the FeN_x moiety of the Fe/N/C catalytic site, considerably reducing the activity of the resulting catalyst to that of carbon only doped with nitrogen. Using the density functional theory (DFT), we clarify in this work the mechanisms by which fluorine interacts with the catalyst. We studied 10 possible FeN_x site configurations as well as 2 metal-free sites in the absence or presence of fluorine molecules and atoms. When the FeN_x moiety is located on a single graphene layer accessible on both sides, we found that fluorine binds strongly to Fe but that two F atoms, one on each side of the FeN_x plane, are necessary to completely inhibit the catalytic activity of the FeN_x sites. When considering the more realistic model of a stack of graphene layers, only one F atom is needed to poison the FeN_x moiety on the top layer since ORR hardly takes place between carbon layers. We also found that metal-free catalytic N-sites are immune to poisoning by fluorination, in accordance with our experiments. Finally, we explain how most of the catalytic activity can be recovered by heating to 900 °C after fluorination. This research helps to clarify the role of metallic sites compared to non-metallic ones upon the fluorination of FeN_x-doped disorganized carbon catalysts.     

内核含Pd的Pt基核壳结构电催化剂

燃料电池汽车已被确立为我国的战略性新兴产业,目前正处于大规模商业化的前夜,铂基电催化剂作为质子交换膜燃料电池的核心材料之一,其活性、耐久性和成本制约着这一洁净能源技术的进一步发展。高性能低铂核壳电催化剂被广泛认为有望解决这一瓶颈问题,虽然国内外在这一领域的研究取得了诸多重要的进展,但是仍存在着制备过程复杂、非铂贵金属内核尺寸较大及核壳结构宏观表征困难等问题。本文介绍两种相对简单、易放大的制备方法,即一锅法和液相合成结合区域选择原子层气相沉积法,均获得了性能优良的Pd3Au@Pt/C核壳结构电催化剂,Pd3Au内核尺寸控制在约5 nm,并利用循环伏安测试和甲酸氧化反应从宏观角度研究了铂层在内核表面的覆盖情况,探索了含钯核壳结构电催化剂的新型宏观表征方法。     

Bioinspired Transition-Metal Complexes as Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction

The oxygen reduction reaction (ORR) is one of the most important reactions in life processes and energy conversion systems. To alleviate global warming and the energy crisis, the development of high-performance electrocatalysts for the ORR for application in energy conversion and storage devices such as metal–air batteries and fuel cells is highly desirable. Inspired by the biological oxygen activation/reduction process associated with heme- and multicopper-containing metalloenzymes, iron and copper-based transition-metal complexes have been extensively explored as ORR electrocatalysts. Herein, an outline into recent progress on non-precious-metal electrocatalysts for the ORR is provided; these electrocatalysts do not require pyrolysis treatment, which is regarded as desirable from the viewpoint of bioinspired molecular catalyst design, focusing on iron/cobalt macrocycles (porphyrins, phthalocyanines, and corroles) and copper complexes in which the ORR activity is tuned by ligand variation/substitution, the method of catalyst immobilization, and the underlying supporting materials. Current challenges and exciting imminent developments in bioinspired ORR electrocatalysts are summarized and proposed.     

Facile Synthesis of AuPd Nanochain Networks on Carbon Supports and Their Application as Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction

The present work reports the facile synthesis and characterization of carbon‐supported porous Pd shell coated Au nanochain networks (AuPdNNs/C). By using Co nanoframes as sacrificial templates, AuPdNNs/C series have been prepared by a two‐step galvanic replacement reaction (GRR) technique. In the first step, the Au metal precursor, HAuCl₄, reacts spontaneously with the formed Co nanoframes through the GRR, resulting in Au nanochain networks (AuNNs). The second GRR is performed with various concentrations of Pd precursor (0.1, 1, and 10 mM PdCl₂), resulting in AuPdNNs/C. The synthesized AuPdNNs/C series are investigated as electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline solution. The physical properties of the AuPdNNs/C catalysts are characterized by scanning electron microscopy (SEM), high‐resolution transmission electron microscopy (HRTEM), UV‐vis absorption spectroscopy, and cyclic voltammetry (CV). Rotating disk electrode (RDE) voltammetric studies show that the Au_0.8Pd_0.2NNs/C (prepared using 1 mM PdCl₂) has the highest ORR activity among all the AuPdNNs/C series, which is comparable to commercial Pt catalyst (E‐TEK). The ORR activity of AuPdNNs/C is presumably due to the enhanced Pd surface area and high porosity of Pd nanoshells.