含木质素纤维素/石墨烯多孔炭材料的制备及其氧还原性能研究北大核心

以含木质素纤维素纳米纤维(L-CNFs)和氧化石墨烯(GO)为前驱体,经冷冻干燥和高温炭化得到多孔炭材料C_(L-CNFs)/RGO/H_(2)O和C_(L-CNFs)/RGO/TBA。表征结果表明,当以叔丁醇(TBA)为溶剂时,炭化前后样品均保持良好的三维多孔结构;L-CNFs被炭化的同时GO被还原为石墨烯,炭化后样品的比表面积显著增加,最高为521.71 m~2/g。电化学性能测试表明,在碱性溶液中,多孔炭材料C_(L-CNFs)/RGO/TBA表现出良好的氧还原反应(ORR)催化活性,具有较高的起始电位(0.81 V)和半波电位(0.69 V)。     

氮掺杂石墨烯/多孔碳复合材料的制备及其氧还原催化性能

采用简单、无模板的方法制备了氮掺杂多孔石墨烯/碳复合材料(NPGC)。采用SEM、XRD、Raman、XPS等分析手段对NPGC的形貌、组成以及结构进行了表征,利用旋转圆盘电极技术测试了其电催化氧还原反应(ORR)活性。结果表明,葡萄糖在水热后生成的碳与石墨烯成功复合,并在950℃炭化、活化后形成了相互渗透、结构良好的三维片状多孔网络结构;其氮含量高达9.47%。NPGC作为一种高效的非金属ORR电催化剂,在碱性溶液中具有较高的起始电位[0.87 V(vs RHE)]和较大的极限电流密度(4.7 mA?cm~(-2)),以及其ORR平均转移电子数为3.8。与商业Pt/C催化剂相比,NPGC具有较强的耐甲醇性和长期耐久性,且制备成本较低,具有广阔的应用前景。     

氮掺杂石墨烯/多孔碳复合材料的制备及其氧还原催化性能

采用简单、无模板的方法制备了氮掺杂多孔石墨烯/碳复合材料(NPGC)。采用SEM、XRD、Raman、XPS等分析手段对NPGC的形貌、组成以及结构进行了表征，利用旋转圆盘电极技术测试了其电催化氧还原反应(ORR)活性。结果表明，葡萄糖在水热后生成的碳与石墨烯成功复合，并在950℃炭化、活化后形成了相互渗透、结构良好的三维片状多孔网络结构；其氮含量高达9.47%。NPGC作为一种高效的非金属ORR电催化剂，在碱性溶液中具有较高的起始电位[0.87 V(vs RHE)]和较大的极限电流密度(4.7 mA?cm^?2)，以及其ORR平均转移电子数为3.8。与商业Pt/C催化剂相比，NPGC具有较强的耐甲醇性和长期耐久性，且制备成本较低，具有广阔的应用前景。     

氮磷共掺杂生物质多孔碳材料的制备及其氧还原性能研究

将槟榔原料与一定量的磷酸氢二铵均匀混合，在氮气气氛下制备氮磷共掺杂生物质炭，再与KOH二次煅烧生成孔隙结构发达的杂原子掺杂多孔碳。电化学测试结果表明，杂原子掺杂碳催化剂材料的ORR(氧还原)活性良好，具有优异的稳定性和抗中毒特性。组装的锌-空气电池的测试结果显示，无金属催化剂可与商业20%Pt/C催化剂性能相媲美，表明以生物质为基础的氮磷共掺杂活性炭是一种很有商业价值的氧还原催化剂材料。     

氮修饰碳基ORR催化剂在BES系统中的应用进展

生物电化学系统(BES),利用产电微生物将废水中蕴含的丰富的化学能直接转换成电能,在净化废水的同时实现生物产电、污染物去除、生物传感等重要过程,为废水资源化利用提供了崭新的途径。目前BES性能主要受到阴极氧气还原反应(ORR)动力学的限制。设计和开发高性能的ORR催化剂对于提高BES性能至关重要。介绍了BES阴极氧还原反应的电催化机理,重点阐述BES中各种氮修饰碳基ORR催化剂(包括氮掺杂碳材料催化剂,氮掺杂碳载过渡金属催化剂,氮-杂原子共掺杂碳基催化剂)的发展现状,评价其在ORR效率、稳定性、经济性等方面的优越性和局限性。为实现BES更加高效、稳定的能源转换提供理论指导和实际参考。     

磷掺杂镍铁氮碳材料的制备及其锌空气电池应用研究

以氯化亚铁、2-(三苯基膦)溴化镍(TMP)为金属源，以甲酰胺中的氮原子、2-(三苯基膦)溴化镍中的磷原子为杂原子掺杂源，采用水热及后续高温焙烧的方法，合成了磷掺杂镍铁氮碳材料(P-NiFe-NC),构建了相比无磷掺杂的镍铁氮碳(NiFe-NC)更高活性的多孔磷掺杂镍铁氮碳材料。所制备的P-NiFe-NC材料表现出较高的氧气还原反应(ORR)活性，如在碱性介质中ORR半波电位高达0.868 V。此外，该材料组装的锌空气电池具有出色的比功率密度和优秀的循环稳定性。     

多孔碳材料的制备及其金属磷化物氧还原性能研究

多孔碳材料及其金属磷化物在电催化氧还原反应中具有广阔的应用前景。以三聚氰胺为碳源和氮源，磷酸氢二铵为磷源，制备具有超高比表面积的氮、磷共掺杂的中空碳纳米壳，通过调节磷源实现了多孔高比表面碳材料的制备。将三聚氰胺、磷酸氢二铵和铁前驱体复合，制备氮、磷共掺杂的石墨碳包裹的磷化铁纳米颗粒。石墨碳层和磷化铁之间存在电子相互作用，内部的磷化铁向外层石墨碳转移电子，这种界面相互作用大大提高了催化剂氧还原（ORR）活性，半波电位高达0.9 V。同时，包裹的碳层起到保护磷化铁（FeP）免受氧化和溶解的作用，催化剂表现出较好的稳定性。     

氮掺杂碳-Pd催化剂用于苯乙烯的有氧氧化

为获得含氮量高、孔隙丰富的氮掺杂多孔碳材料(NPCs),提升其在催化剂领域的应用价值,用聚离子液体(PIL)作为前驱体,三嵌段共聚物F127作为牺牲模板制备出富含氮元素的碳材料。表征分析结果证实氮元素多以结构氮的形式掺入多孔的碳骨架中,实现对钯的较高分散度。温和条件下Pd/PNPC-2作为苯乙烯有氧氧化的催化剂时,14h后苯乙烯几乎全部被氧化,苯甲醛和氧化苯乙烯两种主产物的选择性高达80.56%,且具备较长的使用寿命。     

络合物法制备镍-氮共掺杂炭基二氧化碳电催化剂

过渡金属-氮共掺杂炭基催化剂广泛应用于电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）。为解决催化剂存在的催化活性及选择性问题,以乙二胺与硝酸镍发生配位反应形成的三乙二胺合镍小分子络合物作为氮源和镍源,分别以亲水氧化石墨烯及疏水炭黑为载体,得到两类镍-氮共掺杂多孔炭基催化剂。通过X射线衍射及透射电镜等手段分析了镍物种在不同处理阶段的存在形式。CO₂RR性能测试表明,同一炭载体具有不同金属负载量的催化剂经过酸洗处理除去镍纳米颗粒后,一氧化碳分电流密度得到明显提升,表明原子级分散的镍物种是CO₂RR的活性位点。在-0.8 V（vs.RHE）,不同催化剂的一氧化碳法拉第效率均达到90%。与亲水炭材料作为载体相比,疏水炭材料为载体制备的催化剂一氧化碳分电流密度更高,这表明疏水炭载体有利于过渡金属络合物在载体骨架中的负载与分散,进而抑制后续处理过程中活性物质的损失,从而获得高活性的镍-氮共掺杂炭基电催化剂。     

掺杂多孔碳材料催化硝基苯还原反应的研究进展

苯胺是重要的化工原料和合成中间体,通过硝基苯的催化还原反应可以方便地制备苯胺类化合物。多孔碳材料因其高比表面积、发达的孔隙结构和容易回收等特点在催化领域越来越受到重视,然而其应用受到自身活性位点缺乏和化学惰性的限制。杂原子掺杂可以增强碳材料的表面极性,调节电子结构,改善其催化性能,可作为硝基苯催化还原反应的有效催化剂。本文对近年来掺杂多孔碳材料在硝基苯催化还原反应中的研究进展进行了总结。本文概述了氮掺杂型多孔碳材料、共掺杂型多孔碳材料、负载贵金属的掺杂多孔碳材料和负载廉价金属的掺杂多孔碳材料这4种主要的掺杂多孔碳材料的制备方法,并详细介绍了不同掺杂多孔碳材料在催化硝基苯催化还原反应时的催化性能、可能的催化活性位点以及催化机理。最后,指出目前掺杂多孔碳材料催化硝基苯还原还需要解决反应选择性、催化剂催化活性和生产成本等问题,以生物质为前体,开发共掺杂型和二元双金属负载的掺杂多孔碳材料是未来的重要发展方向之一。     

B-Si掺杂沥青基炭材料的制备及其氧化行为研究

以煤沥青甲苯可溶组分、聚碳硅烷和吡啶硼烷为原料合成了B-Si掺杂沥青,B-Si掺杂沥青经炭化处理得到了B-Si掺杂炭材料。研究结果表明,炭化温度对B-Si掺杂炭材料的物相组成、微观结构和抗氧化性能有重要影响。1200℃炭化处理得到的B-Si掺杂炭材料中含有无定形B4C和Si C微晶,在空气气氛中容易快速氧化形成B2O3和Si O2,Si O2可以进一步在B2O3中溶解形成固溶体,从而提高炭材料表面形成的氧化膜的热稳定性。与在800℃、1000℃、1400℃和1600℃炭化得到的B-Si掺杂炭材料相比,在相同氧化条件下,1200℃炭化得到的B-Si掺杂炭材料显示了较好的抗氧化性能,它在1000℃空气气氛中氧化1 h,失重率仅为5.7 wt%,比其它B-Si掺杂炭材料的失重率小很多。     

氮掺杂碳纳米材料在氧还原反应催化剂中的研究进展

长期以来,碳材料负载高分散的铂催化剂及其合金材料一直是商业化质子交换膜燃料电池（PEMFC）中氧还原反应和氢氧化反应十分有效的催化剂。但由于Pt基催化剂成本高、电化学条件下稳定性差、易CO中毒以及氧还原反应（ORR）动力学迟缓等一系列问题,阻碍了其在燃料电池中的进一步应用和大规模生产。相比之下,氮掺杂碳纳米材料具有低成本、高活性、高稳定性、环境友好等特点,这些优异的性能使其在燃料电池领域有着广阔的应用前景。结合近几年国内外研究现状,综述了原位掺杂法、后掺杂合成法和直接热解法等3种氮掺杂碳纳米材料的制备方法,并分析了各自的优点和不足之处,及其作为ORR催化剂的研究进展。最后,对未来氮掺杂碳纳米材料催化剂研究的主要发展方向进行了展望。     

氮掺杂多孔炭材料的制备及其电容行为研究

氮掺杂多孔炭材料作为电荷存储和电子传输载体,在储能、催化等领域有重要应用,已成为炭材料领域的研究热点之一。通过煤沥青分子结构设计,引入具有亲水性羧基官能团,利用羧基与氮原子配位作用,成功制备了不同微观结构和表面形貌特征的氮掺杂炭材料。实验研究表明,氮掺杂多孔炭材料氮的质量分数为4.99%,氮的化学键合态以石墨氮(N-Q)和吡啶氮(N-6)为主,占比为72.9%。氮原子的引入,显著提升炭材料的电化学性能。在1A·g~(-1)电流密度下,电极材料的比容量为371.6 F·g~(-1),当电流密度增加到10 A·g~(-1)时,比容量为269 F·g~(-1),容量保持率为72.4%。     

锌空气电池双功能阴极催化剂研究进展

可充电锌空气电池(ZAB)被认为是具有前景的储能设备之一.阴极氧还原反应和氧析出反应(ORR和OER)动力学缓慢,限制ZAB的实际应用,开发出高活性催化ORR/OER双功能阴极电催化剂尤为重要.综述了非贵金属双功能阴极电催化剂,包括无金属碳材料催化剂、过渡金属催化剂和过渡金属-氮掺杂碳材料组合催化剂,讨论几种催化剂催化...     

ZnO锚定在N掺杂生物质炭催化剂及高效氧还原性能

开发低成本、耐用和高效的纳米催化剂来替代昂贵和稀有的贵金属（如Pt、Au和Pd）,以克服氧还原反应（ORR）的缓慢动力学过程,对于满足可持续能源转换和未来的存储具有重要的意义。N掺杂的生物质炭基过渡金属氧化物由于其高效和经济的优势,用于优化ORR性能,以解决全球能源危机。以热处理得到的生物质炭和硝酸镍前驱体制备了一种高活性ORR电催化剂ZnO-N-C,该催化剂中ZnO纳米颗粒分散在N掺杂的生物质炭上;所制备的ZnO-N-C电催化剂具有出色的ORR活性,在0.1 mol/L KOH溶液中的半波电压为0.85 V,起始电压为0.93 V。本工作对于N掺杂生物质炭基过渡金属氧化物纳米复合材料的构建和ORR应用具有重要意义。     

生物质氮掺杂多孔炭的制备及电化学性能研究

利用造纸废料生物质衍生物木质素磺酸钠作为碳源,邻苯二胺为氮源,经低温预处理后活化制备了氮掺杂多孔炭(NPC)。采用XRD、XPS和低温N_2脱/吸附技术对其结构、比表面积和孔径分布进行了分析。通过研究投料比、活化温度对材料电化学性能的影响可知,当木质素磺酸钠与邻苯二胺的质量比为5∶3,焙烧温度为750℃时,获得的氮掺杂多孔炭(NPC-750)具有最佳的电化学性能。在电流密度为1 A/g时,NPC-750的比电容为226 F/g,电流密度升高到20 A/g时,比电容仍有178 F/g,表明该电极具有较好的倍率性能(78.8%)。另外,在充放电流密度为10 A/g下循环1000次后,其容量保持率高达98.8%。     

杂原子掺杂碳基氧还原反应电催化剂研究进展

氧还原反应(ORR)是质子交换膜燃料电池和金属空气电池等清洁能源转化技术中的关键步骤,但其反应能垒高,动力学缓慢。目前,氧还原性能最佳的催化剂仍然是已经商业化的碳载铂(Pt/C)催化剂,但其价格高、资源储量低,难以大规模应用。因此,近年来许多研究者致力于探寻低成本高性能非铂ORR催化剂,以期降低催化剂成本,推进质子交换膜燃料电池和金属空气电池的商业化进程。杂原子掺杂碳材料属于一种新型的非贵金属ORR催化剂,具有优异的电化学性能且成本低廉,显示了广阔的应用前景。以杂原子的不同作用原理为线索综述最近几年杂原子掺杂碳基ORR催化剂的研究进展,着重论述杂原子对于碳材料电子结构的影响,并讨论了杂原子掺杂碳材料催化剂面临的问题以及发展趋势。     

高电容氮硫共掺杂多孔炭纳米片的制备

提供一种新型的超级电容器用高电容氮硫共掺杂多孔炭纳米片的制备方法,该方法操作简单、时间周期短、重复性好。以葡萄糖酸钙为碳源、氢氧化钾为活化剂、硫脲为氮硫源,通过直接碳化法制备出氮硫共掺杂多孔炭纳米片,并用于超级电容器的电极材料。通过扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪、拉曼以及氮气吸脱附测试分析,氮硫共掺杂多孔炭纳米片具有高比表面积(491 m²·g^-1)、高氮掺杂量(8.1%)、高硫掺杂量(3.7%)以及分级孔道结构,并在6 mol·L^-1的KOH水溶液中表现出良好的电化学性能。当电流密度为0.2 A·g^-1时,其质量比电容高至221 F·g^-1,在20 A·g^-1时,其质量比电容可以达到144 F·g^-1,质量比电容保持率高达65%,而且经过5 000次充放电循环的电容保持率高达100%。该方法制备出的氮硫共掺杂多孔炭纳米片不仅表现出较大实际应用潜力,而且为寻找电化学性能优异的氮硫共掺杂电极材料奠定基础。     

基于ZIF-8衍生氮掺杂多孔碳的高稳定性氧还原催化剂

沸石咪唑脂框架8(ZIF-8),高温热解处理得到氮掺杂多孔碳(NPC),通过双溶剂浸渍法、化学还原法以及酸处理,制备了NPC负载铂铜的开放型合金纳米颗粒催化体系。通过形貌表征和氧还原催化活性测试,筛选出最佳催化剂,该催化剂也在电流-时间测试中,表现出卓越的稳定性。其催化性能的提升,主要基于铜的引入对金属铂的d带中心的调控以及NPC中氮掺杂位点、羰基官能团对于金属纳米颗粒的锚定作用。     

基于ZIF-8衍生氮掺杂多孔碳的高稳定性氧还原催化剂

沸石咪唑脂框架8(ZIF-8),高温热解处理得到氮掺杂多孔碳(NPC),通过双溶剂浸渍法、化学还原法以及酸处理,制备了NPC负载铂铜的开放型合金纳米颗粒催化体系。通过形貌表征和氧还原催化活性测试,筛选出最佳催化剂,该催化剂也在电流-时间测试中,表现出卓越的稳定性。其催化性能的提升,主要基于铜的引入对金属铂的d带中心的调控以及NPC中氮掺杂位点、羰基官能团对于金属纳米颗粒的锚定作用。