铁前驱体对FeN/ZIF-8催化剂氧还原活性的影响

近年来,ZIF-8因具有比表面积大、孔道结构规则等优点而被用作氧还原催化剂载体.以ZIF-8为载体,1,10-菲啰啉为氮源,分别以FeSO4·7 H2 O,FeAc,FeCl3·6 H2 O和FeC10 H10为铁前驱体制备阴极氧还原催化剂,考察不同铁前驱体对FeN/ZIF-8催化剂结构及性能的影响.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、热重分析等方法对催化剂的结构、形貌及催化剂前驱体的热性质等进行表征,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:以FeSO4·7H2O为铁前驱体制备的催化剂,其起始电位约为0.93 V,氧还原反应为4电子过程,具有更好的氧还原催化活性;其在制备过程中形成的适中的比表面积及孔径大小,较好的晶型结构及较均匀的颗粒分散情况,且X射线衍射结果表明催化剂中存在少量的Fe3 C,这是其具有较好的氧还原催化活性的可能原因.     

ZIFs材料对Fe/N/C催化剂氧还原性能的影响

过渡金属/氮/碳(M/N/C)催化剂是替代铂基催化剂用于氧还原反应(ORR)的理想材料。沸石咪唑骨架(ZIFs)材料结合了无机沸石的高稳定性和MOFs材料的高比表面积、高孔隙率及可调孔结构等特点,是制备M/N/C催化剂的优良前驱体。本工作以FeSO₄·7H₂O为铁源,1,10-菲啰啉为氮源,探究不同ZIFs材料对FeN/C-Z_x催化剂ORR性能的影响。通过X射线衍射、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜等对催化剂进行结构表征,使用线性扫描伏安法对催化剂ORR催化活性进行测试。结果表明：FeN/C-Z₈催化剂表现出最佳的ORR活性,具有较小的Tafel斜率(64.98 mV/dec)且反应过程是近四电子过程;在经过25 000次循环后,FeN/C-Z₈催化剂的半波电位仅有20 mV的负移,表现出良好的稳定性。FeN/C-Z₈催化剂中存在的Fe₃C化合物可有效提高催化剂的催化性能;Zn²⁺在碳化过程中挥发使FeN/...     

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。     

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。     

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。     

镍基MOF衍生Ni@PC用于氧还原催化性能研究

开发高效、低成本的非贵金属氧还原催化剂是提高燃料电池效率的关键。以六水合硝酸镍和二甲基咪唑作为金属源和氮源，制备Ni-MOF前驱体，并采用低温热解法合成了纳米棒状镍掺杂多孔碳(Ni@PC)复合材料。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱和物理吸附仪等多种表征手段，对催化剂进行形貌和结构表征。利用旋转圆盘电极技术测试了其氧还原催化性能。结果表明：Ni@PC呈现三维交错的纳米棒状，其比表面积为178.7m²/g,具有介孔结构。在0.1mol/L KOH电解液中，Ni@PC的氧还原起始电位为0.89V(vs RHE),其极限电流密度可达4.91mA/cm²,在动力学电位区，Ni@PC的Tafel斜率为64mV/dec,氧气分子在Ni@PC催化剂上以四电子机理反应还原成水，该催化剂具有优异的耐久性和抗甲醇稳定性。因此，Ni@PC有望替代商业Pt/C催化剂，在能源领域具有广阔的应用前景。     

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。     

核壳结构ZIF-67@CuOx催化剂及其低温CO-SCR脱硝研究

通过封装法在常温下成功制备出纳米颗粒ZIF-67包覆八面体核壳结构的ZIF-67_(a/b)@CuO_x(a/b=4/1,2/1,1/1,1/1.5)低温脱硝催化剂,并利用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外仪(IR)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析仪(BET)等对催化剂进行表征,考察了不同ZIF-67包覆量对催化剂形貌、结构组成、比表面积大小以及选择性催化还原(SCR)性能的影响。结果表明,HKUST-1烧结为八面体的CuO_x相,具有良好的负载能力,ZIF-67保持其原有形貌、晶型和高比表面积;在a/b为4/1时ZIF-67具有较好的均一性和分散性,催化剂比表面积增大,其低温催化脱硝性能最好。CO-SCR催化性能测试结果显示,ZIF-67_(4/1)@CuO_x在脱硝温度150和225℃时分别达到86.5%和95%的脱硝率。ZIF-67_(4/1)@CuO_x相比ZIF-67达到相同脱硝率(86%)的温度降低50℃。ZIF-67_(4/1)@CuO_x具有1 168.410 m~2/g的最大比表面积,为反应提供更对界面和有效接触,提高催化还原脱硝效率。     

氢氧化钾活化制备可再生多孔碳及其电催化氧还原性能研究

氧还原反应缓慢的动力学过程严重限制了燃料电池的能量转换效率, 而商用Pt/C催化剂成本太高、资源稀缺、稳定性差, 需要寻找合适的材料来取代商用的Pt/C催化剂。近年来, 氮掺杂多孔碳材料因其独特的物理和化学特性吸引了大量的关注。本文使用富含氮元素的可再生土豆作为生物质前驱体, 通过简单的一步热解过程和KOH活化方法相结合制备出了一系列氮掺杂多孔碳电催化剂; 并系统研究了KOH用量和活化温度对碳基体孔结构和电催化性能的影响。结果表明, 当活化温度为750 ℃、KOH与碳的质量比为3/1时, 所制备的催化剂(NPC-750)的氧还原活性最高, 起始电位和半波电位分别达到0.89和0.79 V (vs. RHE), 极限电流密度达到5.53 mA?cm ^-2。NPC-750优异的氧还原催化活性主要归因于其发达的孔结构、高的比表面积(1134.2 m ²?g ^-1)和合适的氮含量(1.57at%)。同时, 优异的循环稳定性和抗甲醇中毒性能进一步说明这些生物多孔碳材料是潜在的低成本氧还原电催化剂。此外, 这些高比表面积多孔碳在超级电容、吸附/分离、催化以及电池等领域也具有潜在的应用前景。     

Pd/mpg-C_3N_4对四溴双酚A的催化加氢脱溴研究

以单氰胺为前驱体,使用硬模板法制备介孔石墨相氮化碳(mpg-C_3N_4),并采用光沉积法制备载钯介孔石墨相氮化碳(Pd/mpg-C_3N_4)催化剂。对所得催化剂进行表征,结果表明Pd/mpg-C_3N_4存在介孔结构,具有较高的比表面积,且Pd颗粒均匀地分散于mpg-C_3N_4表面。将Pd/mpg-C_3N_4催化剂用于四溴双酚A(TBBPA)的液相催化加氢脱溴反应中,该催化剂表现出良好的催化活性。Pd/mpg-C_3N_4催化剂的活性与表面Pd~(2+)含量呈正相关;反应过程可用Langmuir-Hinshelwood模型来描述,表明TBBPA在催化剂表面的吸附是反应的控制步骤。     

Synthesis and characterization of catalysts produced from paper mill sludge. I. Determination Of NOx removal capability

Characteristics and catalytic properties of a series of carbon-based catalysts (CBCs) produced from paper mill sludge were evaluated. The major processes involved in the production of the catalysts were chemical activation, impregnation, pyrolysis, and post pyrolysis rinsing. The porous structure, catalytic activity and thermostability of the catalysts were tailored during the production stage by introducing hetero-atoms (zinc chloride, and ferric nitrate) in the carbon structure. Characterization of the produced CBCs included determination of the surface area, pore size, and pore size distribution (PSD) from standard N₂-adsorption isotherm data. The extent of graphitization and the presence of metal crystals were identified from X-ray diffraction (XRD). The limit of the catalyst gasification was estimated from thermogravimetric analysis (TGA) conducted in an oxidized environment. The NO_x reduction capability of the produced catalysts was evaluated in the presence of carbon monoxide using a fixed bed reactor. The reaction temperature ranged from 300 to 500°C. It was shown that paper mill sludge is an excellent precursor for the production of CBCs with NO_x removal capability of 66–94%. The catalytic capability of the produced CBCs varied according to the method of production, catalyst surface properties (surface area, pore structure, PSD), metal composition and reaction temperature. The highest NO_x removal capacity was observed for the catalytic reactions carried out at 400°C. The mesoporous catalyst produced with a Zn:Fe molar ratio of 1:0.5 exhibited the maximum NO_x removal catalytic activity of 94%.     

碳载体预处理对燃料电池Co-N/C非铂催化剂氧还原性能的影响EI北大核心CSCD

钴(Co)基氧还原催化剂以价格低、储量高、易获得等优势成为代替铂基氧还原催化剂重要选择之一。本工作先对科琴黑进行硝酸酸化预处理,与四水合乙酸钴混合后在氨气气氛下800℃热解制备出Co-N/C氧还原催化剂。由红外光谱测试、联碱中和滴定与比表面积测定可知,经硝酸酸化预处理后,科琴黑表面含氧官能团数量增多,科琴黑孔径不变,中孔比例增加。XRD和TEM测试表明科琴黑和四水合乙酸钴经氨气热处理后,生成了分散均匀无团聚的Co_(5.47)-N/C催化剂。电化学测试表明载体经预处理后,制备的Co-N/C催化剂的氧还原反应(ORR)的电催化性能更好,在碱性条件下电流密度达到了预处理前的4.2倍,在催化动力学中属于四电子转移。     

球形活性炭担载MnOx-CeO2和三聚氰胺的低温脱硝行为研究

以MnO_x-CeO₂为活性组分, 以三聚氰胺为还原剂, 制备了球形活性炭(SAC)担载MnO_x-CeO₂和三聚氰胺的复合催化剂, 并考察了该催化剂在低温下(120~180℃)对NO的选择性催化还原(SCR)反应行为。实验还利用扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)、X射线衍射(XRD)和低温N₂吸附法等技术对催化剂进行了表征。结果表明, 当反应温度为180℃、空速为6000 h^-1、NO和O₂浓度分别为0.1%和8%时, 担载8% Mn(摩尔比Mn:Ce固定为1:1)和10%三聚氰胺的催化剂可在8.8 h内实现99%的NO_x转化率。煅烧温度高于400℃将促使MnO_x-CeO₂形成更大的晶体颗粒和更加规整的晶型结构, 从而降低其melamine-SCR活性。三聚氰胺担载量高于15%将造成催化剂比表面积和孔容的急剧减小, 最终导致其稳态NO_x转化率的下降。而金属氧化物担载量的增加和反应温度的升高都有利于Melamine-SCR反应, 且在较宽的NO和O₂浓度范围内, 催化剂的稳态NO_x转化率都能维持在99%左右。     

氧化铈空心球可控合成及其对Pt基催化剂电催化性能的影响

采用水热合成法, 以碳球为模板, 改变焙烧升温速率, 控制影响铈物种的扩散、渗透及碳球结构的收缩率, 制备了单、双壳层CeO₂空心球。通过微波辅助乙二醇还原氯铂酸法制备了Pt-CeO₂/RGO催化剂, 研究了CeO₂空心球的添加对Pt基催化剂电催化性能的影响。利用X射线衍射仪(XRD)、比表面积及孔径分析仪(BET)、扫描电镜(SEM)和电子能谱(EDAX)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)对CeO₂及催化剂的微观结构进行了表征, 利用电化学工作站对催化剂进行电化学性能测试。结果表明: 单、双壳层CeO₂空心球的比表面积为124.44 m²/g、140.95 m²/g, 孔容为0.014427 cm³/(g·nm)、0.018605 cm³/(g·nm), 孔径分布在2~4 nm范围内。催化剂中的CeO₂保持原有的球状形貌, Pt纳米粒子主要分布在CeO₂附近; 当RGO∶CeO₂=1∶2时, 添加了双壳层CeO₂空心球的Pt-CeO₂/RGO催化剂的电催化性能最优, 电化学活性表面积为94.27 m²/g, 对乙醇氧化的峰电流密度值为613.54 A/g, 1000 s的稳态电流密度值为135.45 A/g。     

活性炭负载CaCl2催化五氯乙烷脱HCl的研究

筛选出了催化性能较好的活性炭负载氯化钙(CaCl2/AC)催化剂用于五氯乙烷脱HCl制备四氯乙烯。考察了反应温度、空速、CaCl2负载量对CaCl2/AC催化剂催化性能的影响及催化剂的稳定性。实验结果表明最佳反应条件:反应温度为240℃,空速为3.4h-1,CaCl2负载量为0.3mmol/g,在此反应条件下五氯乙烷的转化率可达99%以上,四氯乙烯的收率达95%以上,催化剂催化性能重现性良好。采用X射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附对催化剂进行了表征。结果表明CaCl2在活性炭表面分散良好;随着CaCl2负载量的增加,CaCl2/AC催化剂的BET比表面及孔容逐渐减小。     

氧化还原沉淀法制备MnO2/MWCNTs催化剂及其低温SCR活性

先用十二烷基硫酸钠(SDS)对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行表面改性, 然后采用氧化还原沉淀法制得一系列的MnO₂/MWCNTs催化剂。考察了催化剂在80~180℃的选择性催化还原(SCR)反应活性, 并通过BET、XRD、FESEM、TEM、XPS和H₂-TPR等表征手段对催化剂的结构及性能进行分析。结果显示, MnO₂/MWCNTs催化剂在空速210 L/(g_cat·h)和温度140~180℃条件下, 脱硝效率达到85%~100%, 这明显优于等体积浸渍法制备的催化剂的低温SCR催化活性, 且10% MnO₂/MWCNTs催化剂的活性最优。分析结果表明, MnO₂/MWCNTs催化剂中MnO₂以纳米片状均匀分散在多壁碳纳米管载体表面; 弱结晶性的结构和高价锰, 较高的表面吸附含氧量及较强的低温区氧化还原能力是10% MnO₂/MWCNTs催化剂具有优异低温SCR活性的原因。另外, 和MnO_x/MWCNTs催化剂相比, 10% MnO₂/MWCNTs催化剂表现出良好的抗水和抗硫性能。     

Synthesis and characterization of catalysts produced from paper mill sludge: I. Determination of NOx removal capability

Characteristics and catalytic properties of a series of carbon-based catalysts (CBCs) produced from paper mill sludge were evaluated. The major processes involved in the production of the catalysts were chemical activation, impregnation, pyrolysis, and post pyrolysis rinsing. The porous structure, catalytic activity and thermostability of the catalysts were tailored during the production stage by introducing hetero-atoms (zinc chloride, and ferric nitrate) in the carbon structure. Characterization of the produced CBCs included determination of the surface area, pore size, and pore size distribution (PSD) from standard N₂-adsorption isotherm data. The extent of graphitization and the presence of metal crystals were identified from X-ray diffraction (XRD). The limit of the catalyst gasification was estimated from thermogravimetric analysis (TGA) conducted in an oxidized environment. The NO_x reduction capability of the produced catalysts was evaluated in the presence of carbon monoxide using a fixed bed reactor. The reaction temperature ranged from 300 to 500°C. It was shown that paper mill sludge is an excellent precursor for the production of CBCs with NO_x removal capability of 66–94%. The catalytic capability of the produced CBCs varied according to the method of production, catalyst surface properties (surface area, pore structure, PSD), metal composition and reaction temperature. The highest NO_x removal capacity was observed for the catalytic reactions carried out at 400°C. The mesoporous catalyst produced with a Zn:Fe molar ratio of 1:0.5 exhibited the maximum NO_x removal catalytic activity of 94%.     

Properties and catalytic activity of NOx reduction of alumina-titania catalysts prepared by sol-gel method

The alumina-titania catalysts were prepared from various alumina and titania sources by sol-gel method, which were metal alkoxide and metal alkoxide modified with organic groups. Specific surface area, pore size distribution, solid acidity and catalytic activity of NO reduction for the alumina-titania catalysts depended on the alumina and titania sources. The alumina-titania catalyst prepared from metal alkoxide for alumina source and metal alkoxide modified with organic groups for titania source exhibited higher activity of NO reduction than the other alumina-titania catalysts. Catalytic activity of NO reduction for the alumina-titania catalysts depended on specific surface area and solid acidity. It was suggested that solid acidity of the alumina-titania catalysts depended on the coordination structure of Al atoms and the homogeneity of alumina and titania components.     

Double Riveting and Steric Hindrance Strategy for Ultrahigh-Loading Atomically Dispersed Iron Catalysts Toward Oxygen Reduction

Atomically dispersed iron on nitrogen doped carbon displays high intrinsic activity toward oxygen reduction reaction, and has been identified as an attractive candidate to precious platinum catalysts. However, the loading of atomic iron sites is generally limited to below 4 wt% due to the undesired formation of iron-related particles at higher contents. Herein, this work overcomes this limit by a double riveting and steric hindrance strategy to achieve monodispersed iron with a high-loading of 12.8 wt%. Systematic study reveals that chemical riveting of atomic iron in ZIF-8 framework, chelation of Fe ions with interconfined 1,4-phenylenebisboronic, and physical hindrance are essential to obtain high-loading monodispersed Fe moieties. Resultantly, designed Fe-N-C-PDBA exhibits superior catalytic activity and excellent stability over commercial platinum catalysts toward oxygen reduction reaction in both half-cells and zinc-air fuel cells (ZAFCs). This provides an avenue for developing high-loading single-atom catalysts (SACs) for energy devices.