氮硫共掺杂碳材料均匀担载核壳纳米颗粒Co@Co9S8作为氧还原催化剂的研究

开发高效、稳定的非贵金属氧还原(ORR)催化剂是促进燃料电池商业化进程的关键。通过树脂衍生N、S共掺杂碳材料负载原位生成的Co@Co₉S₈核壳结构纳米颗粒，制备出一种具有良好活性和稳定的非贵金属催化剂Co@Co₉S₈/NSC。电化学测试结果表明：Co@Co₉S₈/NSC催化剂的半波电位(E_1/2)和极限电流密度可与商业Pt/C催化剂相媲美。同时相较商业Pt/C催化剂，其还具有极好的抗甲醇活性。此外，计时电流测试表明：持续老化10000s后，Co@Co₉S₈/NSC的电流密度保持了初始值的97.5%,远低于商业Pt/C催化剂的23.3%。为构建高活性高稳定性核壳结构ORR催化剂提供了新的思路，同时其思路也可以应用于其他新能源电极材料如Li-空气电池、Li-S电池及超级电容器等。     

石墨化介孔碳包裹WC纳米粒子的构建及其氧还原性能研究

采用模板复型辅助的化学气相沉积法(CVD)成功制备出一种非贵金属的氧还原反应(ORR)催化剂材料—包裹碳化钨纳米粒子的石墨化介孔碳(WC/MG)复合物。制备的介孔结构WC/MG复合材料不仅具有高氧还原反应电化学催化活性, 还表现出良好的电化学稳定性。在O₂饱和的0.1 mol/L KOH电解质溶液中, 900℃制备的样品WC/ MG-900其半波电势(E_1/2)和极限电流密度仅比商用贵金属催化剂Pt/C分别低50 mV 和 0.2 mA/cm²。Koutecky- Levich曲线和旋转环盘电极实验均表明, 该介孔结构的WC/MG复合材料表现出近似4电子的ORR反应途径, 具有可与Pt/C催化剂相比拟的ORR催化活性, 以及比Pt/C更优越的电化学稳定性和耐甲醇性能, 使得该介孔结构WC/MG复合物在氧还原电极材料中表现出良好的应用前景。     

酸处理对FeN/ZIF-8催化剂氧还原反应催化性能的影响

研发高性能、低成本的非贵金属阴极氧还原反应催化剂是目前质子交换膜燃料电池的主要研究方向之一。以1, 10-菲啰啉为氮源, FeSO₄·7H₂O为铁源, 考察以ZIF-8为载体制备的FeN/ZIF-8催化剂的氧还原反应催化性能, 并探究酸处理对FeN/ZIF-8催化剂结构及性能的影响。通过X射线衍射、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜等物理表征手段对催化材料进行结构表征, 使用旋转圆盘电极对催化剂氧还原反应催化活性和稳定性进行测试。结果表明: 以ZIF-8为载体制备的催化剂含有Fe₃C, 以及具有较大的比表面积, 这可能是催化剂具有较高氧还原反应初始催化活性的原因。酸处理可去除催化剂中部分不稳定的含铁碳化物和无序碳结构, 使催化剂具有更大的比表面积、更丰富的介孔结构和更高的孔体积; 同时, 酸处理可提高碳基体的耐腐蚀性, 在老化测试中维持催化剂所具有的较高比表面积和丰富的介孔结构, 从而使FeN/ZIF-8-A催化剂表现出更好的氧还原反应活性和稳定性。     

热处理对FeN/C催化剂氧还原性能的影响

高活性、低沉本的阴极氧还原催化剂是目前质子交换膜燃料电池的重要研究内容之一。考察了FeN/C作为氧还原催化剂的催化性能,研究氨气气氛下的二次热处理对催化剂氧还原催化活性与稳定性的影响。使用X射线衍射、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜等方法对催化剂的结构进行表征,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,经二次热处理后,催化剂表现出更好的氧还原催化活性及稳定性。催化剂在二次热处理后,具有更高的比表面积(931.2 m~2/g)、较高的表面氮含量(1.67%(原子分数))、以及催化剂中存在的Fe_3C,是其催化性能提高的可能原因。     

MOF(Co)/功能化石墨烯制备高效Co-N-C型氧还原催化剂研究

以六水合硝酸钴为金属源,苯并咪唑为有机配体,对苯二胺改性氧化石墨烯(PGO)为碳载体,采用一步溶剂热法合成金属有机骨架(MOF)-PGO前躯体,经过高温处理制备了多孔Co-N-PGO催化剂。采用比表面积孔隙度分析仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱和X射线光电子能谱等物理表征手段对催化剂形貌、结构以及元素形态进行表征,同时利用线性扫描伏安法和计时电流法对催化剂在碱性电解液中的氧还原(ORR)性能进行测试。结果表明,Co-N-PGO催化剂具有较高的比表面积和电化学活性面积,良好的结晶程度以及丰富的孔洞结构。此外,Co-N-PGO催化剂表现出优异的ORR催化活性,半波电位与商业Pt/C催化剂相比仅相差10mV,同时拥有更好的稳定性及抗甲醇毒化性能。根据K-L方程,Co-N-PGO催化剂在ORR过程中主要为四电子途径,与Pt/C催化剂反应机理相似。     

铁氮掺杂活性炭载体增强碳载铂基催化剂氧还原反应稳定性EI北大核心CSCD

修饰和改良载体是改善质子交换膜燃料电池阴极铂基催化剂性能的主要途径。以铁氮(FeN)掺杂活性炭(Black Pearl 2000,BP)为载体,获得负载型铂基催化剂。使用电化学方法对催化剂的氧还原反应活性以及稳定性进行测试,采用X射线衍射仪、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜、X射线光电子能谱等分析手段对载体及催化剂结构进行表征。结果表明:Pt/FeN-BP催化剂与商业Pt/C催化剂的起始电位均为0.94 V,具有相当的氧还原反应初始活性;老化测试后,Pt/FeN-BP催化剂与商业Pt/C催化剂的起始电位损失分别约为10,30 mV,半波电位损失分别约为5,60 mV,Pt/FeN-BP催化剂的稳定性明显优于商业Pt/C催化剂。这是因为,铁氮掺杂碳载体具有适中的比表面积和孔径大小,Pt颗粒在载体上以小粒径的状态存在且老化测试后Pt颗粒无团聚现象,以及载体与Pt颗粒之间可能存在一定的相互作用。     

PMMA模板制备LaMnO3及其电化学性能研究

采用PMMA(聚甲基丙烯酸乙酯)根据Stober-Frink法制备出PMMA微球,并将其作为模板剂,以柠檬酸为络合剂,乙醇和蒸馏水为溶剂,通过混合搅拌、沉淀和去除模板剂等过程来制备得到LaMnO₃。利用粉末X射线衍射技术(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、N₂吸附-脱附等手段表征分析了催化剂样品LaMnO₃,并对其进行了电化学性能测试。结果表明,以PMMA微球为模板可制备出球形空洞的多孔LaMnO₃,其具有良好的氧还原反应(ORR)活性和氧析出反应(OER)活性,23.005 m²/g的比表面积远大于由共沉淀法制备的LaMnO₃,当作为铝空气电池阴极催化剂材料时,相比于共沉淀法制备的LaMnO₃其恒流放电稳定、放电电压高。     

基于V2C催化剂的混合电解质锂空气电池催化机理研究

氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)催化活性的提高可以显著提高混合电解质锂空气电池的性能。二维材料V₂C(MXenes)具有丰富的组成、高比表面积和强稳定性等特点,受到广泛关注。本工作基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,研究了V₂C的电子性质、碱性条件下氧气在V₂C表面的最佳吸附位点和氧气在V₂C表面的氧化还原过程,计算了V₂C的自由能和过电势,最后将其与混合电解质锂空气电池常用的MnO₂催化剂进行了比较。结果表明,V₂C作为混合电解质锂空气电池催化剂时,比常用的MnO₂催化剂的过电势更小,说明该催化剂可以提高电极的催化性能,是一种前景良好的ORR和OER双功能催化剂。     

碱性和酸性条件下均稳定的高效氧电催化剂:具有多活性中心的多孔纳米片复合材料（英文）

可逆的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)需要多种类型的活性中心来缓冲质子耦合/解耦的四电子过程.本文通过一种简单环保的熔融NaCl模板法合成了碳包覆FeNi合金、金属-N物种和N缺陷共掺杂的多孔纳米片(FeNi-N/PCN).得到的FeNi-N/PCN作为氧电催化剂在碱性(E_1/2为0.88 VRHE, E_j=10为1.57 VRHE)和酸性介质(E_1/2为0.78 VRHE, E_j=10为1.76 VRHE)中均表现出优异的ORR和OER性能.此外,该FeNi-N/PCN催化剂在锌空气电池中表现出2 2 4 m W c m-2的功率密度和691 m A h g^-1的比容量,分别是Pt/RuO₂组合的1.34和1.20倍.这些优异的性能可以归因于具有多类型活性位点的层状碳纳米片结构,包括碳包覆FeNi合金、N缺陷和金属-N位点(M–Nx).     

CoFe2O4-沸石复合催化剂的制备与优化

采用溶剂热法制备CoFe₂O₄-沸石复合材料，通过构建高分散的小纳米粒径CoFe₂O₄-沸石复合催化剂以提升其催化性能，并优化其合成条件。为测试该催化剂的催化性能，以铬黑T(EBT)为目标污染物，分析CoFe₂O₄及CoFe₂O₄-沸石复合材料活化过一硫酸盐(PMS)的效果。结合材料表征手段分析合成的催化剂的物象组成和微观形貌结构。实验结果表明：50 mL乙二醇和0.03 mol乙酸钠的条件下制备所得CoFe₂O₄粒径尺寸最小，为10.647 nm,晶粒纯度高，且0.2 g/LCoFe₂O₄和0.15 g/L PMS在30 min内对200 mg/L EBT的去除率达到73.95%。CoFe₂O₄纳米颗粒能较好地分散负载在沸石表面，形成复合催化剂，其中0.2 g/L CoFe     

基于ZIF8/rGO的高性能NO2室温传感器

二氧化氮气体是一种常见的大气污染物, 对自然环境和人类健康造成严重的危害, 开发检测该类有毒有害气体的高效检测设备势在必行。新型复合薄膜气体传感器可以在常温下对二氧化氮进行高选择性、高灵敏度检测, 为自然环境和人类健康保驾护航。本工作采用化学沉淀法和超声法制备了多孔、高比表面积的ZIF8/还原氧化石墨烯(ZIF8/rGO)复合材料, 以此为气敏材料构建NO₂传感器, 并系统研究了其在室温下对NO₂的气敏性能, 进一步探讨了ZIF8/rGO气敏传感器感应NO₂的可能机理。气敏实验结果表明：ZIF8/rGO气敏传感器对50×10^-6 NO₂的响应达到34.77%, 是纯rGO气敏传感器的3.2倍。ZIF8/rGO传感器在4个可逆循环测试中表现出较好的可重复性, RSD(Relative Standard Deviation)为3.9%。此外, ZIF8/rGO传感器表现出优秀的长期稳定性(RSD为2.5%)、选择性和低的检出限(3.8×10^-8)。室温下灵敏感应NO₂的气敏性能主要归因于ZIF8的多孔结构和超大的比表面积以及rGO的优越性能。本工作将为ZIF8/rGO作为气敏材料检测有毒有害的NO₂气体提供新思路。     

简便的碳浴法制备N,S共掺杂类石墨烯炭提高氧还原反应性能（英文）

合理设计和优化氧还原反应(ORR)非金属电催化剂对于燃料电池和金属空气电池非常重要。然而,这现在仍然是一个巨大的挑战。本工作通过简单的碳浴法成功制备了N,S共掺杂的类石墨烯炭材料(GLC),并将其用于电催化氧还原反应。经高温热解和模板分解后,得到的GLC-11具有较高的比表面积(583.68 cm2/g)和孔体积(0.63 cm3/g)。其中,微孔表面积占总表面积的29.39%,微孔体积占总孔体积的12.70%。同时,通过XPS结果计算得到,GLC-11的吡啶氮和石墨氮含量总和高达92.2%。因此,GLC-11在碱性电解液中显示出了高电催化ORR性能,其中波电位(E1/2)为0.82 VRHE,优于Pt/C(E1/2=0.80 VRHE)。此外,GLC-11催化剂与商业Pt/C(20 wt%)催化剂相比表现出更好的稳定性和优异的甲醇耐受性。     

碳纳米管锚定在中空碳上用于高效氧还原反应（英文）

设计和制备用于高效氧还原反应(ORR)的非贵金属基电催化剂对于清洁能源转换装置的开发至关重要,但又极具挑战性.在本工作中,我们通过热解双金属前驱体ZIF-Zn/Co,成功制备了一种新型的分级中空碳纳米复合材料HNCT-CNT.该材料富含Co-N_x位点以及原位形成的多壁碳纳米管.理论和实验表明, HNCT-CNT使ORR中间体的活化能垒降低,因而表现出了优异的ORR性能.最佳催化剂表现出较正的半波电位为0.85 V,极限电流密度高达6.36 mA cm^-2, Tafel斜率为58.2 mV dec^-1,且结构稳定性良好.此外,基于HNCT-CNT组装的锌空气电池还显示出1.49 V的开路电压和116.56 mW cm^-2的功率密度.综上,这种无机物模板法为制备金属有机框架化合物衍生的非贵金属基碳纳米电催化剂用于高效的电化学能源领域提供了一种新的方法.     

纳米多孔MoNi/Al3Ni2材料制备及电催化析氢性能的研究

开发非贵金属高效电催化剂是降低电解水制氢成本的关键。通过激光直写技术以及脱合金在泡沫镍基底上制备了一种自支撑的纳米多孔MoNi/Al₃Ni₂催化剂。该催化剂的纳米多孔结构增加了催化反应的活性位点,MoNi和Al₃Ni₂之间的协同效应使催化剂在碱性介质(1 mol/L KOH)中表现出优异的析氢性能。电化学测试结果表明,Al含量为80%时制备的MoNi/Al₃Ni₂催化剂在10 mA/cm²的电流密度下,过电位仅为31 mV,且表现出良好的电化学长期稳定性,在10 mA/cm²的电流密度下,稳定催化析氢100 h以上,为工业电解水析氢用电催化剂的大规模制备提供了理论指导。     

电化学法制备Co(OH)2/Cu(OH)2异质结电极及其作为析氧电催化剂的研究

贵金属IrO₂和RuO₂被广泛认为是优异的析氧(OER)催化剂，但是高成本限制其应用与发展，故开发高效的非贵金属OER催化剂具有重大的实际意义和应用前景。采用简便的电化学法制备了一种三维异质结电极Co(OH)₂/Cu(OH)₂作为优良的OER催化剂。Co(OH)₂/Cu(OH)₂由于其三维异质结构，使其具有较大的比表面积和充足的活性位点，同时调节了表面Co的电子结构进而提高OER活性，表现出优良的催化性能。在1mol/L KOH溶液中，Co(OH)₂/Cu(OH)₂能在270mV的低过电位下达到10mA/cm²,并且能保持在100mA/cm²的大电流密度下较长时间进行OER反应，是一种优良的OER催化剂。     

Fe,N掺杂二维多孔碳双功能催化剂及锌-空气电池中的应用

在石墨烯表面负载金属有机框架材料ZIF-8,同时在金属有机框架材料表面分散Fe-2,2-Bipy螯合物,通过高温煅烧分解制备了Fe, N掺杂多孔碳催化剂材料。采用SEM, XRD, XPS对制备的催化剂材料进行了形貌、结构以及成分分析。采用旋转圆盘电极,CV曲线,LSV曲线对Fe,N掺杂多孔碳催化剂材料的氧还原(ORR)以及析氧(OER)电催化性能进行了分析。并且将Fe, N掺杂多孔碳催化剂应用于锌-空气电池。结果表明,所制备的Fe, N掺杂多孔碳催化剂材料显示出均匀的二维结构形貌, Fe元素含量为1.32%。催化剂在0.1 mol/L KOH溶液中半波电位为0.83 V,在1 mol/L KOH溶液中, 10 mA/cm~2电流密度下过电势为420 mV。将催化剂应用于锌-空气电池,锌-空气电池功率密度达到245 mV/cm~2,并且表现出优异的循环稳定性。     

基于金属-有机框架的M-N/C类催化剂在氧还原反应中的应用

燃料电池阴极发生氧还原反应(ORR)的动力学过程缓慢，通常需要Pt/C作为催化剂降低反应过电位。然而Pt作为一种贵金属，其使用将极大增加燃料电池的生产成本，因此开发非贵金属催化剂来替代Pt/C催化剂具有重要意义。金属有机框架材料(MOFs)因其具有高比表面积、有序多孔结构、拓扑结构可调等特点作为前驱体被广泛应用于M-N/C类催化剂的合成。M-N/C类催化剂继承了MOFs的结构特征，且具有丰富的活性位点，提高催化活性和分级结构以促进传质过程，因此表现出良好的ORR催化性能。从单金属/氮/碳和多金属/氮/碳组成角度出发，对近几年来关于M-N/C类催化剂的结构设计思路和合成策略进行了总结，阐述了其在ORR中的催化性能，展望了其未来发展前景。     

NH2-MoS2@BP的制备及其电催化析氢性能研究

采用液相剥离法制备二维黑磷烯纳米片(BP),将其与改性的MoS₂通过水热法合成得到NH₂-MoS₂@BP,利用XRD、SEM、TEM对材料的形貌结构进行表征，并通过三电极体系测试析氢性能。结果表明，NH₂-MoS₂@BP形貌呈片层结构，BP在催化剂中颗粒很小且均匀的分布在其表面。在0.5mol/L H₂SO₄溶液中，当电流密度为10mA/cm²时，氨基的加入使催化剂的析氢过电位降低了20mV,BP的加入使催化剂的析氢过电位降低了90mV,塔菲尔斜率为95mV/dec,表明BP有利于改善改性MoS₂的催化性能。此外，连续的循环伏安测试表明NH₂-MoS₂@BP具有较好的电催化稳定性。     

纤维状多孔钙锰氧化物制备及其氧还原反应电催化活性

首次以海藻酸钙纤维为载体制得层状-钙钛矿结构的Ca₂MnO₄钙锰氧化物(Ca-Mn-O), 并以尖晶石结构的CaMn₃O₆为对比样, 测试了样品作为电化学氧还原催化剂(ORR)的性能。通过XRD、FE-SEM、TEM和BET对材料进行表征, 结果表明该层状-钙钛矿结构的氧化物具有内部相互交联的多孔网状结构和大的比表面积。电催化测试结果表明: Ca₂MnO₄氧化物具有明显的催化活性, 高的极限扩散电流密度、接近四电子氧化还原以及在碱性溶液中较低产率的过氧化氢, 说明这种廉价而丰富的ORR催化剂具有潜在的应用前景。Ca-Mn-O氧化物的催化活性(初始还原电位、极限电流密度以及电子转移数)很大程度依赖于表面Mn的氧化态和晶体结构。此外, 大的比表面积和多孔网状结构, 增多了氧还原反应的电催化活性位; 高的氧空位浓度有利于氧还原反应的进行; 合适的晶体结构具有开放的空间, 有利于氧的吸附。     

过渡金属和磷共掺杂多孔碳作为氧气还原电催化剂

碳基材料作为非贵金属催化剂具有导电性能高、稳定性能好、价格低廉、环境友好等优点,在燃料电池阴极催化剂领域中引起了广泛的关注,尤其是过渡金属和异原子共掺杂能够显著提高碳材料的氧气还原催化活性。本文采用聚醚(F127)作为软模版,苯酚、甲醛作为碳源,四苯基溴化膦作为磷源,硝酸盐作为过渡金属来源,通过挥发溶剂自组装及高温煅烧过程制备了过渡金属(Co、Fe、Ni、Mn)和磷(P)共掺杂多孔碳材料(TM-P-C)。通过旋转环盘电极研究了TM-P-C在0.1 mol/L KOH电解液中的氧气还原电催化性能。研究结果表明：TM-P-C催化剂具有较高的氧化还原反应(ORR)电催化性能,其ORR活性为P-Co-C>P-NiC>P-Fe-C>P-Mn-C,其中P-Co-C的ORR电催化性能可与商业20wt%Pt/C催化剂相媲美,其电流密度与20wt%Pt/C催化剂的电流密度相当,与20wt%Pt/C仅存在66 mV的半波电位差,表现为ORR的4e–转移途径。制备的TM-P-C催化剂所具有的较高氧气还原电催化活性主要来自于过渡金属和P原子之间的协同作用。此外,TM-P-C催化剂表现出优异的...