氮掺杂石墨烯的制备及其电催化氧气还原性能

通过改良Hummers法制备氧化石墨(Graphite oxide,GO),采用爆炸辅助还原法将GO还原剥离并原位掺杂得到氮掺杂石墨烯(Nitrogen-doped graphene,N-RGO)。采用TEM、SEM、FI-IR、XPS、XRD及Raman等分析手段对N-RGO的形貌、组成以及结构进行了表征,利用旋转环盘电极技术测试了其电催化氧气还原活性。TEM和SEM结果表明,爆炸条件下GO被很好地剥离开来,得到只有几层厚度的石墨烯;FI-IR及XPS结果表明,GO中大部分含氧官能团被脱除,C/O原子比达到26.2,是目前所得GO还原程度非常高的方法之一,且氮元素成功掺杂进石墨烯晶格中,掺杂氮的原子质量分数约为2.11%;电化学测试结果显示,氧气还原的极限扩散电流由非氮掺杂石墨烯(Reduced graphene oxide,RGO)的0.24mA提高到N-RGO的0.49 mA,尽管爆炸辅助还原得到的RGO对氧气还原也显示出较好的催化活性,但掺杂之后的N-RGO具有更高的催化活性。     

氮掺杂氧化石墨烯的制备及其氧还原催化性能研究

以腺嘌呤为掺杂氮源,以均苯三酸为辅助碳源,采用水热法对多层氧化石墨烯进行氮掺杂,在惰性气氛下煅烧得到氮掺杂氧化石墨烯(NGO),重点研究了腺嘌呤用量对产物的氧还原催化性能的影响。利用上海辰华电化学工作站,采用线性扫描伏安法对其氧还原催化性能进行测试分析,并利用Koutecky-Levich方程对其氧还原电子转移数进行计算。结果表明,以腺嘌呤作为氮源能够大幅度地提高氧化石墨烯的催化性能,当腺嘌呤用量为6 mmol时,所制得的氮掺杂氧化石墨烯NGO-3的催化性能最好,催化氧气还原以4e~-途径进行。     

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。     

氮掺杂再生活性炭的制备及电催化氧还原反应性能研究

为解决危废活性炭传统回收方式带来的资源浪费和环境污染等问题,本工作以抗生素脱色废活性炭为原料、氨气为氮源,采用高温热解再生法将氮元素通过sp²杂化键合进入到活性炭骨架中,制备了氮掺杂再生废活性炭氧还原反应(ORR)催化剂,分析了氮掺杂再生活性炭的物相组成、微观形貌、电化学性能。结果表明,当温度为1 000℃、退火时间为1 h时,所制备的N-RWAC-1000-1氧还原电催化性能最佳。N-RWAC-1000-1具有丰富的微孔和介孔结构,比表面积可达908 m²/g,在碱性介质中的起始电位为0.92 V(vs.RHE),半波电位为0.82 V(vs.RHE),均接近商业20%(质量分数)的铂碳催化剂。此外,氮掺杂再生炭拥有优于商业化铂碳的循环稳定性和甲醇耐受性,有望成为新的氧还原催化剂以期为抗生素脱色废活性炭的高值化利用提供了新的方向。     

氮掺杂石墨烯的制备及应用

氮掺杂石墨烯具有独特的性能,被广泛应用于电子设备、光伏产业和传感器等领域。首先通过对目前氮掺杂石墨烯的主要制备方法进行分析和讨论,探讨了不同维度的氮掺杂石墨烯的结构和性能,并总结了氮掺杂石墨烯的应用范围。而后,基于目前的研究现状指出氮掺杂石墨烯将会面临的挑战及未来的发展趋势。     

硼氮双掺杂提升碳点电催化氧还原活性研究

碳点(CDs)因其较大的比表面积和较快的电子转移特性,已成为能量转换应用领域一种新兴的纳米炭材料.本文以低成本的石油焦为原料,通过简便的一步电化学刻蚀方法制备了硼氮双掺杂碳点(BN-CDs).与单掺杂碳点B-CDs和N-CDs相比,双掺杂BN-CDs表现出更优异的四电子氧还原电催化活性,具有更正的起始电位(Eonset...     

Pt-TiO_2-还原氧化石墨烯纳米复合材料的制备及氧还原性能

制备一种具有高氧还原电催化活性的Pt-Ti O2-还原氧化石墨烯复合材料;采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、高分辨透射电镜和拉曼光谱分析手段对催化剂的组成和微观结构进行表征。结果表明:氧化石墨烯在复合材料的合成过程中被还原为还原氧化石墨烯,纳米Pt与Ti O2颗粒均匀地附着在还原氧化石墨烯的片层上形成Pt-Ti O2-还原氧化石墨烯复合材料;该复合材料氧还原起始电位为-0.20 V左右,通过Koutecky-Levich方程计算得到电催化过程中复合材料的交换电流密度为10-6~10-5m A/cm2,16 000 s的计时电流测试后其相对电流值高达起始值的88%以上。     

Co/MR氮掺杂炭气凝胶的制备、结构及氧还原性能

以三聚氰胺、间苯二酚、甲醛为原料,采用溶胶-凝胶法、冷冻干燥等步骤制备出三聚氰胺-间苯二酚-甲醛(MR)干凝胶;并以所制炭气凝胶为载体浸渍硝酸钴,经氮气中高温炭化,得到钴复合氮掺杂的炭气凝胶。考察间苯二酚和三聚氰胺比例、凝胶pH值及炭化条件等对气凝胶结构和催化氧还原活性的影响,采用XRD、XPS、低温氮气吸脱附等方法研究催化剂的结构。随pH值增加,MR气凝胶的介孔分布向小孔移动;当M/R物质的量比为6∶1时,其介孔分布为3.0~4.0 nm。钴复合炭气凝胶多孔结构中存在均匀分布Co金属颗粒和管状炭,Co金属颗粒粒径随炭化温度升高而增加。采用旋转圆盘电极研究催化剂在0.5mol/L H2SO4溶液中的电化学性能,结果表明催化剂具有良好的氧还原活性。     

Three-dimensional (3D) interconnected networks fabricated via <Emphasis Type="Italic">in-situ</Emphasis> growth of N-doped graphene/carbon nanotubes on Co-containing carbon nanofibers for enhanced oxygen reduction

The strategy of combining highly conductive frameworks with abundant active sites is desirable in the preparation of alternative catalysts to commercial Pt/C for the oxygen reduction reaction (ORR). In this study, N-doped graphene (NG) and carbon nanotubes (CNT) were grown in-situ on Co-containing carbon nanofibers (CNF) to form three-dimensional (3D) interconnected networks. The NG and CNT bound the interlaced CNF together, facilitating electron transfer and providing additional active sites. The 3D interconnected fiber networks exhibited excellent ORR catalytic behavior with an onset potential of 0.924 V (vs. reversible hydrogen electrode) and a higher current density than Pt/C beyond 0.720 V. In addition, the hybrid system exhibited superior stability and methanol tolerance to Pt/C in alkaline media. This method can be extended to the design of other 3D interconnected network architectures for energy storage and conversion applications.

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N-doped graphene grown on silk cocoon-derived interconnected carbon fibers for oxygen reduction reaction and photocatalytic hydrogen production

Carbon-based metal-free catalysts are a promising substitute for the rare and expensive platinum (Pt) used in the oxygen reduction reaction.We herein report N-doped graphene (NG) that is exquisitely integrated into highly conductive frameworks,simultaneously providing more active sites and higher conductivity.The NG was in situ grown on carbon fibers derived from silk cocoon (SCCf) using a simple one-step thermal treatment.The resulting product (NG-SCCf),possessing a meso-/macroporous structure with three-dimensional (3D) interconnected networks,exhibits an onset potential that is only 0.1 V less negative than that of Pt/C and shows stability and methanol tolerance superior to those of Pt/C in alkaline media.Moreover,in the absence of Pt as co-catalyst,NG-SCCf shows a photocatalytic H2 production rate of 66.0 μmol·h 1·g-1,4.4-fold higher than that of SCCf.This outstanding activity is intimately related to the in situ grown NG,hierarchically porous structure,and 3D interconnected networks,which not only introduce more active sites but also enable smooth electron transfer,mass transport,and effective separation of electron-hole pairs.Considering the abundance of the green raw material in combination with easy and low-cost preparation,this work contributes to the development of advanced sustainable catalysts in energy storage/conversion fields,such as electro-and photocatalysis.     

蜂窝状碳负载铁基单原子催化剂的制备及ORR催化性能研究

单原子催化剂(SACs)以近100％的原子利用率以及优秀的催化活性等,在促进多相催化方面受到了广泛关注.然而,由于金属原子在高温下易烧结,SACs的合成仍然具有挑战性.本研究利用熔融盐(MS)提供的强极性环境,制备了以氮掺杂碳为载体的铁基单原子催化剂(Fe SA-NC).结果表明,Fe SA-NC显示出蜂窝状的多孔形貌...     

三维石墨烯基B-N-Fe/Co-G材料的制备及其氧还原催化性能研究

采用脲、硼酸、硝酸铁、硝酸钴分别作为N、B、Fe、Co源,与GO(氧化石墨烯)通过快速冷冻干燥与热解法,制得了三维石墨烯基B-N-Fe/Co-G催化材料,并对其结构和性能进行了测试和表征,研究其氧还原的活性物质与活性点。透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)及X射线光电子能谱(XPS)结果显示,所制得掺杂石墨烯表面褶皱呈三维孔洞结构,掺杂原子N、B、Fe、Co均匀掺杂于石墨烯中。通过循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)等手段对三维石墨烯基B-N-Fe/Co-G催化材料进行电化学性能测试,结果表明:B-N-Fe/Co-G在0.1 mol/L的 KOH碱性电解质中有较高的氧还原(ORR)催化活性,起始电位在1.0 V左右,为4电子转移,相比质量分数20%的商用Pt/C催化剂有更好的电化学稳定性。     

二维过渡金属硫属化合物氧还原反应催化剂的研究进展

氧还原(ORR)反应是燃料电池等清洁能源阴极的关键反应, 其反应动力学复杂, 阴极需使用Pt等贵金属催化剂。然而Pt价格昂贵, 且载体炭黑在高电位环境下稳定性欠佳, 导致电池部件成本高且寿命短。二维过渡金属硫属化合物(2D TMDs)具有高比表面积与可调节的电学性能, 且稳定性强, 有望在维持活性的同时提高燃料电池阴极的耐久性。本文梳理了近年来2D TMDs在ORR催化剂领域的最新研究进展: 首先概述了2D TMDs的结构、性质及ORR反应机理; 其次分析了调控2D TMDs的ORR性能策略, 包括异质元素掺杂、相转变、缺陷工程与应力工程等, 介绍了2D TMDs基异质结构对ORR性能的提升作用; 最后, 针对该领域目前存在的挑战进行展望与总结。     

2D Boron Imidazolate Framework Nanosheets with Electrocatalytic Applications for Oxygen Evolution and Carbon Dioxide Reduction Reaction

Ultrathin 2D materials possess unique properties that translate to enhanced efficiency as electrocatalysts, stimulating research toward methodologies that support their preparation. Herein, a two‐step strategy is reported that involves the preparation of the new boron imidazolate framework ( BIF‐73 ) which is subsequently utilized as a precursor to yield the crystalline 2D nanosheet material ( Fe@BIF‐73‐NS ) via post‐synthetic modification. This new electrocatalytic material stabilizes ultra‐small (Fe₂O₃) fragments resulting in an excellent electrocatalytic performance for the oxygen evolution reaction (OER: lower overpotential with 291 mV at the current density of 10 mA cm^?2) and carbon dioxide reduction reaction (faradaic efficiency of CO reaching 88.6% at ?1.8 V vs Ag/AgCl) without the need for noble metals. Additionally, theoretical calculations and microscopy reveal that the superior OER performance can be attributed to the increased exposure of binding sites within the material to which the catalytically active Fe³⁺ centers are bound through a post‐synthetic modification procedure. A red‐shift of the Fermi level around the valence band is observed and is proposed to be a result of the aforementioned interactions. This work opens an avenue toward the development of 2D functional metal organic framework nanosheets for energy conversion applications.     

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。