ZIF-67衍生的Ag/Co@NC材料及其氧还原性能的研究（英文）

氮掺杂的多孔碳材料可作为氧还原反应的催化剂,本文借助ZIF-67富氮多孔的特殊结构,采用湿式逐步还原法将Ag嵌入ZIF-67孔腔内,然后在Ar中碳化成功地制备了Ag/Co双金属嵌入的氮掺杂的多孔碳复合材料(Ag/Co@NC)作为氧还原反应的催化剂.为了证明Ag的突出作用,同时在Ar中碳化了ZIF-67制备了Co嵌入的氮掺杂的多孔碳材料(Co@NC).利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱以及比表面积分析对材料的显微形貌、物相组成、结构进行分析,采用循环伏安和线性扫描极化曲线对材料的氧还原催化活性和催化稳定性进行研究.结果表明,Ag的嵌入未改变ZIF-67的晶体结构,但是大大提高了材料的氧还原催化活性. Ag/Co@NC材料的半波电位和起始电位均高于Co@NC材料,且其在1000次循环伏安测试前后的半波电位变化仅为30 mV,显示出很好的催化稳定性和甲醇耐受性,可作为燃料电池和金属-空气电池的阴极催化剂.     

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.     

Co@NC纳米复合材料的制备及其电化学性能研究

本文从开发替代贵金属催化剂（如RuO₂,IrO₂,Pt）的廉价催化剂方面着手,以金属有机框架化合物ZIF-67为前驱物,通过室温溶剂热法合成金属有机骨架ZIF-67,将其高温炭化制备出包覆Co纳米颗粒的氮掺杂的碳基复合材料,即Co@NC. 研究炭化温度对其形貌结构、元素组成和电催化性能的影响. 制备形貌结构最优的Co@NC催化剂,并研究了其在碱性条件下析氧反应的催化活性和稳定性.     

非贵金属钴、氮共掺杂碳纳米管负载纸衍生多孔碳电催化剂的制备及其氧还原性能研究（英文）

燃料电池可以直接将化学能转化为电能,是一种极具前景的能量转换设备.目前,铂碳是燃料电池阴极氧还原反应(ORR)常用催化剂,但是铂储量低、价格昂贵、稳定性差且容易受CO毒化,极大地限制了其在燃料电池商业化中的应用.因此,探索价格低廉、性能优越的非贵金属氧还原催化剂显得尤为重要.大量研究发现,碳基材料具有优越的氧还原性能和良好的电化学稳定性.同时,自然界的生物质种类丰富,是很好的碳基材料来源.本文选取日常生活中最常见的富碳生物质废纸作为碳源,二氰二胺和乙酰丙酮钴分别作为氮源和钴源,经过特定气氛下的梯度升温制得非贵金属钴、氮共掺杂碳纳米管负载多孔碳氧还原催化剂(Co/N/CNT@PC-800).考察了杂原子N掺杂、过渡金属Co掺杂对材料形貌和性能的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱、氮气吸附-脱附和X射线光电子能谱(XPS)等表征方法探究了Co/N/CNT@PC-800材料的组成与结构,通过循环伏安法(CV)以及线性扫描伏安法(LSV)等电化学测试探究了其氧还原反应性能.SEM和TEM结果表明,Co/N/CNT@PC-800材料为表面生长着大量碳纳米管的多孔碳结构.这是因为二氰二胺和钴引入后,钴催化二氰二胺转化成碳纳米管.金属纳米粒子被封装在碳层之间和碳纳米管中而得到有效的保护,使之不易被酸腐蚀.同时,Co和N元素可以形成更多的活性位点(Co–Nx),增强材料ORR活性.SEM和氮气吸附-脱附结果显示,掺杂Co后,材料的介孔结构会进一步增加,形成微孔/介孔结构.多孔结构可以增强ORR相关物质(O2,H+,OH.,H2O)的传质速率,提升反应速率,达到增强ORR活性的效果.除此之外,多孔的结构也可以促进活性位点的暴露,进而提升材料的ORR性能.XPS结果显示,Co/N/CNT@PC-800材料中N主要以吡啶氮和石墨氮两种形式存在,而这两种类型的氮有利于促进ORR的进行.Raman光谱结果显示,在引入N和Co元素后,材料的缺陷结构有所增加,因而有利于电催化氧还原反应性能的提升.另外,LSV测试结果表明,在引入Co或者N后,材料催化ORR的起始电位、半波电位、极限电流密度均有小幅改善;同时引入Co和N后,Co/N/CNT@PC-800材料催化ORR的起始电位(0.005 V vs.Ag/AgCl)、半波电位(.0.173 V vs.Ag/AgCl)、极限电流密度(.4.117 mA cm.2)均有较大幅度的改善.通过Koutecky-Levich(K-L)方程计算以及旋转环盘电极测得的氧还原极化曲线结果均表明,Co/N/CNT@PC-800材料的氧还原反应是通过准四电子反应转移路径进行.此外,循环(3000圈CV)稳定性测试结果证明,Co/N/CNT@PC-800材料比商业化的Pt/C具有更好的稳定性.总之,本文采用简单的梯度升温法制备出非贵金属钴、氮共掺杂的碳基氧还原催化剂(Co/N/CNT@PC-800),为探索利用生物质制备电催化剂用于燃料电池提供了一种可供选择的途径.     

负载酞菁铁的氮掺杂中空碳球的电催化氧还原性能（英文）

开发低成本、高性能的氧还原反应（ORR）催化剂是当前的研究热点.虽然酞菁铁（FePc）在几十年前就被证明能高效地电催化氧还原反应,但由于其电子传导性和稳定性较差,无法取代商用的Pt/C催化剂.氮掺杂碳材料不仅化学性质稳定、电子传导性好,还有一定的氧还原催化活性.本文首先制备了聚苯乙烯@聚多巴胺球前驱体,经过高温碳化后制得了氮掺杂中空碳球,进而负载酞菁铁后制备了负载酞菁铁的氮掺杂中空碳球复合材料（FePc-NHCS）.通过调整煅烧温度和酞菁铁的负载量,可进一步调控FePc-NHCS的多孔结构、石墨化程度、氮掺杂的种类与含量及酞菁铁的负载状态.优化后的FePc-NHCS在碱性电解质中显示出优异的ORR催化活性,其半波电位和稳定性均高于商用Pt/C催化剂.研究结果表明,掺杂与复合是增强单项催化组分活性的有效途径.此外,通过调控催化剂的结构和组分也能有效地优化催化剂的氧化还原性能.     

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.     

单源MOF衍生具有三维有序大孔结构的氮掺杂碳包覆铁-氮合金复合材料用于高效氧还原

氧还原反应在一些能源转换系统如金属-空气电池中起着至关重要的作用.目前贵金属基材料(Pt/C)被认为是最有效的氧还原电催化剂,然而价格昂贵和储量有限等因素限制了它的商业化应用,因此探索高效的非贵金属氧还原电催化剂具有重要的意义.近年来,负载过渡金属铁的多孔碳催化剂由于独特的结构和优异的氧还原催化活性成为替代铂基催化剂最有潜力的候选者.该类材料的合成通常采用直接煅烧含有氮源、碳源和铁盐的混合前驱体的制备方法,但是热解时材料的多孔结构以及活性位点的均匀分布很难得到有效的控制.近年来,金属有机框架(MOFs)由于其多孔结构和组成可控等优点而经常被用作自牺牲模板来制备负载铁基纳米材料的多孔碳催化剂,并表现出优异的电催化活性.目前以MOF为前驱体制备高活性的载铁氮掺杂碳复合材料通常需要引入额外的氮源或铁源,因此选择氮含量丰富的铁基MOF材料作为单源前驱体制备载铁氮掺杂多孔碳复合材料具有重要的意义.除此之外,具有多级孔隙率的催化剂可以改善反应时的传质过程,同时有序交联的网络结构能够提供连续的电子传输.本文报道了一种简单可控的制备具有三维有序大孔结构的载铁氮掺杂多孔碳复合催化剂的合成方法,该材料表现出优异的电催化氧气还原性能和优异的催化稳定性.首先,以氮含量丰富的双氰胺和吡嗪配体所构筑的Fe-MOF作为前驱体,利用具有均一尺寸的聚苯乙烯微球作为造孔剂,合成得到了具有三维有序大孔结构的Fe-MOF前驱体,然后通过高温煅烧该单源前驱体制备得到具有三维有序大孔结构的氮掺杂多孔碳包覆铁-氮合金的复合型催化剂(3DOM Fe/Fe-NA@NC).扫描电镜和透射电镜结果表明,材料内形成了有序交联的大孔结构;氮气吸附测试表明,刻蚀之后材料的比表面积明显增加,结合分级多孔特性可以共同促进催化反应的传质过程.粉末X射线衍射结果证实了多孔碳材料中铁和铁-氮合金物种的成功合成.电化学测试结果表明,在0.1 M KOH电解液中,3DOM Fe/Fe-NA@NC-800催化剂表现出优于Pt/C的氧还原活性,其半波电位(E_1/2)为0.88 V,大于商业Pt/C的半波电位(E_1/2=0.85 V).同时,3DOM Fe/Fe-NA@NC-800表现出更加优异的稳定性,经过20000 s测试后,其电流保持率为94%,而Pt/C只保持了78%.关于活性位点探究的对比实验证明在所制备的复合材料中,铁物种作为高效的活性位点参与了电催化氧还原反应,与氮掺杂多孔碳之间的协同作用共同主导了3DOM Fe/Fe-NA@NC优异的氧还原活性.得益于其优异的氧还原活性,将其作为阴极活性材料组装为锌-空气电池进一步探究了其在实际应用中的可行性.本结果拓宽了高效的铁基催化剂的类型,同时也为制备封装非贵金属的多孔碳基催化剂提供了实验指导和理论依据.     

钴-氮共掺杂石墨烯基二维介孔碳纳米材料用于氧还原催化剂

设计廉价高效的过渡金属/氮共掺杂碳材料并作为铂基材料的替代物应用于电催化氧还原反应(ORR),是目前加速燃料电池技术大规模商业化的有效途径之一,也是当前研究的焦点和难点.本文通过表面活性剂的辅助在氧化石墨烯(GO)表面原位生长钴掺杂的ZIF-8(Co-ZIF-8),以此为前驱体经过一步碳化得到二维5%Co/N-GO碳纳米材料,实现了钴/氮活性位点和介孔结构的同步构筑.5%Co/N-GO在碱性条件下具有非常优异的ORR催化性能,其起始电位、半波电位、极限电流密度和稳定性都优于商业Pt/C,同时表现出极优的四电子选择性.这些优异的性能主要得益于二维超薄的介孔结构大大促进了反应过程的物料传输和活性位点的暴露率;同时,高度分散的Co Nx活性位点与氮掺杂位点产生高效的协同催化作用,显著增强了该材料的电催化氧还原性能.     

通过铁掺杂和造孔提高氮掺杂石墨烯/碳纳米管复合物电催化氧还原性能的研究（英文）

氧还原反应催化剂的性能直接影响着能源转换和存储器件如燃料电池和金属-空气电池的性能. 开发低成本、高性能的非铂族金属氧还原催化剂对于这类器件的实际应用和商业化十分重要,因此备受关注. 氮掺杂的石墨烯/碳纳米管复合物同时具备碳纳米管的良好导电性能和有利于传质的三维网络结构优点,以及氮掺杂石墨烯的高活性优点,因此有望发展为这类可替代铂族催化剂的氧还原电催化剂之一,但目前其催化性能还需进一步提高. 本文研究发现通过在氮掺杂石墨烯/碳纳米管复合物的过程中引入铁元素可以有效提高催化剂的氧还原活性,并且发现通过在热处理和氮掺杂过程中加入二氧化硅纳米颗粒及随后除去二氧化硅,可以在氮掺杂的石墨烯/碳纳米管复合物材料中有效地形成多孔结构. 这种多孔结构的形成不仅可以在复合物中引入更多的高活性催化位点,而且有利于暴露更多的催化活性位并促进氧还原反应中的传质过程. 结合碳纳米管、石墨烯和多孔结构的三者优点,所制备的多孔氮掺杂碳材料表现出优异的电催化氧还原性能. 进一步的实验表明,这类材料还表现出优异的抗甲醇中毒能力和良好的稳定性,因此在性能改进后有望用于燃料电池等能量转换与存储器件.     

Ya‐Ru Lv,Xue‐Jing Zhai,Shan Wang,Hong Xu,Rui Wang #, Shuang‐Quan Zang

氧还原反应在一些能源转换系统如金属-空气电池中起着至关重要的作用.目前贵金属基材料(Pt/C)被认为是最有效的氧还原电催化剂,然而价格昂贵和储量有限等因素限制了它的商业化应用,因此探索高效的非贵金属氧还原电催化剂具有重要的意义.近年来,负载过渡金属铁的多孔碳催化剂由于独特的结构和优异的氧还原催化活性成为替代铂基催化剂最有潜力的候选者.该类材料的合成通常采用直接煅烧含有氮源、碳源和铁盐的混合前驱体的制备方法,但是热解时材料的多孔结构以及活性位点的均匀分布很难得到有效的控制.近年来,金属有机框架(MOFs)由于其多孔结构和组成可控等优点而经常被用作自牺牲模板来制备负载铁基纳米材料的多孔碳催化剂,并表现出优异的电催化活性.目前以MOF为前驱体制备高活性的载铁氮掺杂碳复合材料通常需要引入额外的氮源或铁源,因此选择氮含量丰富的铁基MOF材料作为单源前驱体制备载铁氮掺杂多孔碳复合材料具有重要的意义.除此之外,具有多级孔隙率的催化剂可以改善反应时的传质过程,同时有序交联的网络结构能够提供连续的电子传输.本文报道了一种简单可控的制备具有三维有序大孔结构的载铁氮掺杂多孔碳复合催化剂的合成方法,该材料表现出优异的电催化氧气还原性能和优异的催化稳定性.首先,以氮含量丰富的双氰胺和吡嗪配体所构筑的Fe-MOF作为前驱体,利用具有均一尺寸的聚苯乙烯微球作为造孔剂,合成得到了具有三维有序大孔结构的Fe-MOF前驱体,然后通过高温煅烧该单源前驱体制备得到具有三维有序大孔结构的氮掺杂多孔碳包覆铁-氮合金的复合型催化剂(3DOM Fe/Fe-NA@NC).扫描电镜和透射电镜结果表明,材料内形成了有序交联的大孔结构;氮气吸附测试表明,刻蚀之后材料的比表面积明显增加,结合分级多孔特性可以共同促进催化反应的传质过程.粉末X射线衍射结果证实了多孔碳材料中铁和铁-氮合金物种的成功合成.电化学测试结果表明,在0.1 MKOH电解液中, 3DOMFe/Fe-NA@NC-800催化剂表现出优于Pt/C的氧还原活性,其半波电位(E1/2)为0.88 V,大于商业Pt/C的半波电位(E1/2=0.85 V).同时, 3DOM Fe/Fe-NA@NC-800表现出更加优异的稳定性,经过20000 s测试后,其电流保持率为94%,而Pt/C只保持了78%.关于活性位点探究的对比实验证明在所制备的复合材料中,铁物种作为高效的活性位点参与了电催化氧还原反应,与氮掺杂多孔碳之间的协同作用共同主导了3DOM Fe/Fe-NA@NC优异的氧还原活性.得益于其优异的氧还原活性,将其作为阴极活性材料组装为锌-空气电池进一步探究了其在实际应用中的可行性.本结果拓宽了高效的铁基催化剂的类型,同时也为制备封装非贵金属的多孔碳基催化剂提供了实验指导和理论依据.     

以金属有机骨架为前驱体的高活性氧还原非贵金属催化剂制备

The development of a non‐precious metal electrocatalyst (NPME) with a performance superior to commercial Pt/C for the oxygen reduction reaction (ORR) is important for the commercialization of fuel cells. We report the synthesis of a NPME by heat‐treating Co‐based metal organic frameworks (ZIF‐67) with a small average size of 44 nm. The electrocatalyst pyrolyzed at 600 °C showed the best performance and the performance was enhanced when it was supported on BP 2000. The resulting electrocatalyst was composed of 10 nm Co nanoparticles coated by 3–12 layers of N doped graphite layers which as a whole was embedded in a carbon matrix. The ORR performance of the electrocatalyst was tested by rotating disk electrode tests in O2‐saturated 0.1 mol/L KOH under ambient conditions. The electrocatalyst (1.0 mg/cm2) showed an onset potential of 1.017 V (vs. RHE) and a half‐wave potential of 0.857 V (vs. RHE), which showed it was as good as the commer‐cial Pt/C (20μgPt/cm2). Furthermore, the electrocatalyst possessed much better stability and re‐sistance to methanol crossover than Pt/C.     

Atomic Fe-N_4 sites on electrospun hierarchical porous carbon nanofibers as an efficient electrocatalyst for oxygen reduction reaction

Porous carbon materials doped with atomically dispersed metal sites(ADMSs) are promising electrocatalysts for oxygen reduction reaction(ORR) electrocatalysis.In this work,we fabricated hierarchical porous nitrogen-doped carbon nanofibers with atomically dispersed Fe-N_4 sites by carbonization of electrospinning iron-based metal-organic frameworks(MOFs)/polyacrylonitrile nanofibers for ORR electrocatalysis.Remarkably,the re sultant carbon nanofibers with atomically dispersed FeN_4 sites exhibit extraordinary electrochemical performance with an onset potential of 0.994 V and a halfwave potential of 0.876 V in alkaline electrolyte,comparable to the benchmark commercial Pt/C catalyst.The high catalytic performance is originated from the unique hierarchically porous 1 D carbon structure and abundant highly active atomically dispersed Fe-N_4 sites.     

Paper-derived cobalt and nitrogen co-doped carbon nanotube@porous carbon as a nonprecious metal electrocatalyst for the oxygen reduction reaction

The oxygen reduction reaction (ORR) is a vitally important process in fuel cells. The development of high-performance and low-cost ORR electrocatalysts with outstanding stability is essential for the commercialization of the electrochemical energy technology. Herein, we report a facile synthesis of cobalt (Co) and nitrogen (N) co-doped carbon nanotube@porous carbon (Co/N/CNT@PC-800) electrocatalyst through a one-step pyrolysis of waste paper, dicyandiamide, and cobalt(II) acetylacetonate. The surface of the hierarchical porous carbon supported a large number of carbon nanotubes (CNTs), which were derived from dicyandiamide through the catalysis of Co. The addition of Co resulted in the formation of a hierarchical micro/mesoporous structure, which was beneficial for the exposure of active sites and rapid transportation of ORR-relevant species (O₂, H⁺, OH^?, and H₂O). The doped N and Co formed more active sites to enhance the ORR activity of the electrocatalyst. The Co/N/CNT@PC-800 material exhibited optimal ORR performance with an onset potential of 0.005 V vs. Ag/AgCl and a half-wave potential of –0.173 V vs. Ag/AgCl. Meanwhile, the electrocatalyst showed an excellent methanol tolerance and a long-term operational durability than that of Pt/C, as well as a quasi-four-electron reaction pathway. The low-cost and simple synthesis approach makes the Co/N/CNT@PC-800 a prospective electrocatalyst for the ORR. Furthermore, this work provides an alternative approach for exploring the use of biomass-derived electrocatalysts for renewable energy applications.     

新型耐甲醇氧还原电催化剂——氮掺杂中空碳微球@铂纳米粒子复合材料

通过模板法制备了一种新型耐甲醇氧还原电催化剂——氮掺杂中空碳微球@铂纳米粒子复合材料(HNCMS@PtNPs)。首先,将铂纳米粒子负载于氨基化二氧化硅微球上,获得PtNPs/SiO₂复合材料。然后通过多巴胺自聚合反应在PtNPs/SiO₂复合材料上包裹聚多巴胺(PDA)膜,将其在氮气气氛中直接进行碳化处理并通过氢氟酸溶液刻蚀去除SiO₂,获得了内嵌有PtNPs的氮掺杂中空碳微球,标记为HNCMS@PtNPs复合材料。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、比表面积分析仪和X射线光电子能谱仪对HNCMS@PtNPs复合材料的形貌和结构进行了表征。采用循环伏安法和线性扫描伏安法研究了HNCMS@PtNPs复合材料的电催化氧还原性能。结果表明：HNCMS@PtNPs催化剂的Pt载量高达11.9%(w,质量分数),对氧还原反应具有高电催化活性、高稳定性和优良的抗甲醇性能,是一种具有应用潜力的直接甲醇燃料电池(DMFCs)阴极电催化剂。     

直接甲醇燃料电池的耐甲醇阴极电催化剂炭载四羧基酞菁钴的研究

比较了甲醇对Pt/C和炭载四羧基酞菁钴(CoPcTc/C)催化氧还原性能的影响.结果表明,甲醇使Pt/C催化氧还原的性能严重降低,而对经800℃热处理的CoPcTc/C(CoPcTc/C-800)基本没有影响;并且CoPcTc/C-800催化氧还原的性能优于经其它温度热处理的CoPcTc/C,CoPcTc/C-800是一种较好的直接甲醇燃料电池的耐甲醇阴极电催化剂.XPS结果表明,CoPcTc/C-800的活性位可能是含CoN₄结构的物质和零价Co的混合物.     

Synthesis of an ordered porous carbon with the dual nitrogen-doped interfaces and its ORR catalysis performance

Both nitrogen-doping feature and pore structure are critical factors for developing nitrogen-doped carbons based catalysts with a high performance toward oxygen reduction reaction(ORR).Herein,a simple one-step CVD of acetylene and acetonitrile vapor method using silanized SBA-15 as a template has been developed to synthesize an ordered porous carbon(OPC) with dual nitrogen-doped interfaces.The optimized sample as prepared with the CVD of 4 h at 750℃ contains two types of ordered mesopores that one type is the ordered cylindrical pores inheriting from the pores of SBA-15 and has a pore width of4.0~5.0 nm,the other type is the ordered quasi-hexagonal pores with a width of 3.0~4.0 nm produced by etching the pore walls of SBA-15.These two types of pores whose pore walls are built by the nitrogen doped carbon layers resulted by the CVD and thus it actually makes the dual nitrogen-doped interfaced OPC(DN-OPC).Meanwhile,DN-OPC contains a few of micropores and a large SSA of 1430 m~2/g.This dualordered pores and dual nitrogen-doped interfaces cannot only facilitate mass transport but also utilize the active sites of DN-OPC for ORR.Therefore,as metal-free ORR catalyst,DN-OPC exhibits a good activity close to commercial Pt/C catalyst,and an excellent durability and methanol tolerance.     

高分散钴氮共掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂

过渡金属氮掺杂碳基催化剂已成为替代铂基氧还原反应(ORR)电催化剂的理想选择。本文通过静电纺丝技术制备了高比表面、高度分散的钴原子配位氮掺杂的碳纳米纤维催化剂(Co-N/C)。X射线衍射(XRD)和高分辨率透射电镜(HRTEM)结果证实Co元素高度分散于制备的Co-N/C催化剂中。X射线光电子能谱结果表明N元素主要以吡啶N和石墨N形式存在。该Co-N/C催化剂对ORR反应呈现出较高的电催化活性,其氧还原起始和半波电位分别为0.92 V和0.80 V(相对于标准氢电极),接近于商业化Pt/C催化剂的性能。以制备的Co-N/C催化剂作为阴极,25℃下锌空气燃料电池的开路电位1.54 V、最大功率密度达到了190 m V·cm~(-2)表明该催化剂具有良好的应用前景。     

Synthesis of the nitrogen-doped carbon nanotube (NCNT) bouquets and their electrochemical properties

The nitrogen-doped carbon nanotube (NCNT) bouquets have been synthesized by the pyrolysis of nitrogen-containing ion-exchange resin. The material shows excellent oxygen reduction performance after being supported by the Pt nanoparticles (Pt/NCNTs) compared with commercial Pt/C (46.7 wt.% Pt, TKK, Japan) in terms of the onset potential, half-wave potential, mass activity and durability. The better ORR performance of the Pt/NCNTs indicates potential applications in PEMCs.     

Highly graphitized carbon-wrapped PtFeCo alloy with enhanced durability and activity toward methanol electro-oxidation

Exploring efficient strategies to construct durable and active Pt-based electrocatalysts toward methanol oxidation reaction (MOR) remains great significance for the application of direct methanol fuel cells (DMFCs). Here, we report a facile pyrolysis procedure for fabricating carbon layer wrapped PtFeCo alloy nanoparticles supported on nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT). Physical characterizations demonstrate that the nitrogen-doped carbon support is highly graphitized and the PtFeCo particles are firmly wrapped by the graphitized carbon. Since the wrapping of highly graphitized carbon effectively prevents PtFeCo alloy from metal dissolution, the durability of the synthesized PtFeCo/Co–NCNT_a catalyst has been substantially improved, remaining about 76% of its initial mass activity after 1000 cycles of durability test in acid condition. In addition, due to the strain and ligand effects caused by alloying Pt with Fe and Co, the PtFeCo/Co–NCNT_a catalyst exhibits a greatly enhanced mass activity of 4.2-fold and a specific activity of 6.3-fold higher than those of commercial Pt/C-JM catalyst. Consequently, this work may provide an effective route for preparing durable and active Pt-based catalysts for methanol electro-oxidation.     

调控碳材料的功函数以大幅度提升其电催化氧还原性能

氧的电催化还原反应是燃料电池装置与金属空气电池的阴极反应,具有重大的研究意义.在众多的非铂催化剂中,碳材料因其低廉的价格以及独特的物理化学性质受到了广泛的关注.自从发现氮掺杂的碳纳米阵列具有优异的氧还原活性后,不同类型的氮掺杂的碳也得到了深入研究.例如近年来兴起的由金属有机框架衍生的氮掺杂的碳材料,兼具丰富的氮位点及良好的三维结构.氮的掺杂对碳原子具有电子调控的作用,是其高氧还原活性的根本原因.本文对金属有机框架衍生的氮掺杂的碳材料进行进一步的电子结构的优化,以提升催化性能.功函是电子逸出表面所需的最少的能量,是材料的电子结构性质之一,其对氧还原反应的影响也有报道,早期以理论计算为基础,探究氧气分子在碳材料表面的解离能与氮掺杂的碳的表面功函的关系,后续则采用开尔文探针显微镜,直接测量了不同元素掺杂的碳表面功函,并建立起功函与氧还原动力学的线性关系.本文通过控制碳材料的功函来调节其电子结构.铯是一种经典的给电子物质,通过将电子注入到掺杂材料表面来降低其功函.因此,本文通过CsCO₃与2-甲基咪唑、Zn(NO₃)₂煅烧形成铯修饰的氮掺杂碳.电镜及XRD均观察不到所得材料中铯的存在,证明碳层中无大颗粒团聚的铯物种.EDS元素分布图表明,铯在碳层中呈原子级均匀分布.Raman谱结果表明,碳的G带发生明显的位置偏移,证明其面内电子结构发生了明显的改变.XPS结果证明铯成功与氮原子配位,通过铯氮键将电子注入到碳骨架.UPS则最终显示,经过铯的修饰,碳表面功函从4.25 eV下降到3.6 eV.表面功函的降低有利于氧气分子的解离,也调节OOH^*中间体的吸附,使其吸附的自由能更接近最优值.材料改性后氧还原性能明显提升,起始电位达到0.91 V vs RHE,半波电位达到0.83 V vs RHE,均接近商业Pt/C催化剂.氧还原反应的动力学电流密度随功函的降低而增大,验证了前人的结论.本文提供了一个较为新颖的电子结构调控策略,为设计新的氧还原催化剂提供了新的思路.