部分磷化双金属中心集成制备高性能三功能催化剂用于制氢和柔性锌-空气电池（英文）

开发高效且性能稳定的氧析出(OER)、氧还原(ORR)和氢析出(HER)三功能催化剂是制备能源存储与转换设备的关键.本文使用一步磷化法,在氮磷共掺杂碳基上制备了Fe Co金属合金/磷化物催化剂(Fe Co-P/PNC).该催化剂显示了良好的ORR性能,展现了0.86 V (vs.RHE,相对于可逆氢电极)的半波电位;在OER和HER反应中,催化剂在10 m A cm^-2的电流密度下的过电位分别为350和158 m V.密度泛函理论计算表明,磷在Fe Co磷化物和碳基体中皆起主导作用,使得该催化剂同时具有良好的ORR、OER和HER功能.以Fe Co-P/PNC为空气阴极组装的水系电池和柔性锌-空气电池的峰值功率密度分别为195.1和90.8 m W cm^-2,且两种电池均具有优异的充放电性能、长寿命和高柔性.此外,自供能的整体水分解系统表现出较低的(1.71 V)工作电压以驱动10 m A cm^-2的电流密度,进一步证实了该催化剂出色的多功能性.     

具有优越电催化析氢性能的超小碳负载FeRu合金（英文）

电化学水分解是将可再生能源产生的间歇性电能转化为高纯度氢气的一种极具前景的绿色能源技术.目前,高效制氢催化剂主要由贵金属及其化合物组成,而贵金属的高成本及稀缺性,限制了其在大规模工业化制氢中的应用.因此,探索低成本,高电化学活性、高稳定性的电解水制氢催化剂至关重要.合金化材料以短程或长程有序结构存在,具有增强的电化学性能.因此,本文采用两步法制备超小碳负载FeRu合金纳米电催化剂并将其应用于电催化析氢反应.Fe_0.05Ru_0.05/XC-72双功能电催化剂粒径为2.1 nm,在碱性淡水和海水电解质中表现出优异的活性和耐久性.10 mA cm^-2时,在1 mol L^-1 KOH、1 mol L^-1 KOH+0.5 mol L^-1 NaCl和1 mol L^-1 KOH+海水中分别表现出13、15和18 mV的过电位.在1 mol L^-1 KOH介质和-0.07 V(相比于可逆氢电极)条件下,Fe_0.05     

含有丰富铁物种的配体诱导中空MOF衍生碳纳米材料用于高效氧还原反应（英文）

合理地设计和制备低成本、高效、稳定的非贵金属基碳纳米材料具有重要意义.本文中我们在不同温度条件下,通过有机配体交换将MOF-5转换为ZIF-8,其过程中可以捕捉到ZIF-8的中间态(ZIF-8-M)并得到最终态(ZIF-8-F).将掺杂Fe离子的MOF材料进行热解后,得到的Fe-ZIF-8-F-900材料具有大的比表面积、高的石墨化程度、丰富的碳纳米管以及高活性的铁物种等优点.这些特性有助于后续氧还原反应(ORR)更好的电子转移和质量传输.与Pt/C相比,Fe-ZIF-8-F-900具有优异的ORR性能,如较正的起始电位(0.982 V),大的极限电流密度(5.41 mA cm^-2)和较小的Tafel斜率(40.6 mV dec^-1),且在10小时后电流保持率仍高达94.4%.此外,实验和理论结果均证实了Fe-ZIF-8-F-900组装的锌空气电池在实际应用中表现优异.本研究将为高效、低成本的非贵金属基电催化剂的开发和制备提供合理的设计策略,并为其在能源相关领域的实际应用指明方向.     

磷氮掺杂石墨烯层封装FeP纳米颗粒的增强ORR催化性能

开发高效的非贵金属氧还原反应(ORR)催化剂来替代铂基催化剂受到了广泛关注.设计合成在碱性电解质和酸性电解质中均表现出高催化活性的非贵金属催化剂仍然是一个挑战.在本文中,我们通过前驱体热解法制备了一种纳米复合催化剂(FeP@PGL),该催化剂由氮掺杂的碳纳米片以及镶嵌在片层上的磷掺杂石墨烯层封装磷化铁(FeP)纳米颗粒组成.FeP@PGL催化剂表现出优异的ORR催化性能,在碱性介质中的起始电位和半波电势分别高达1.01 V和0.90 V vs.RHE;在酸性介质中的起始电位和半波电势分别高达0.95 V和0.81 V vs.RHE.通过详细的电子显微和谱学表征,我们发现碳纳米片基质与包裹纳米颗粒的碳包裹层存在组成的差别,磷掺杂主要发生在包裹FeP纳米颗粒的石墨烯层上.封装的FeP纳米颗粒与外层磷掺杂石墨烯层之间存在界面电荷转移,并且通过界面相互作用降低了催化剂表面的功函数.FeP和磷掺杂石墨烯层之间的界面协同作用对于增强催化剂ORR活性至关重要.本文不仅证明了封装型FeP基纳米复合催化剂在氧还原反应上的应用价值,而且为界面电荷转移效应及其在ORR过程中的作用提供了实验证据.     

氮掺杂碳纳米纤维包覆超细碳化钼/氮化钼异质结构用于碱性条件下电催化析氢

高效非贵金属催化剂对于推进析氢反应(HER)的大规模工业化至关重要.碳化钼(Mo₂C)因其类似铂的能带密度和优良的中间产物吸附特性,有望替代贵金属基材料成为具有前景的催化剂.然而,它在常规制备过程中存在严重的晶体过度生长和团聚问题,导致催化效率低.本研究利用三聚氰胺辅助法制备了含有丰富表面和界面的超细碳化钼/氮化钼(Mo₂C/Mo₂N)异质结构,并同时将其嵌入到氮掺杂碳纳米纤维(CNFs)中.Mo₂C/Mo₂N异质结构的协同作用与超细纳米晶表面暴露的丰富活性位点共同提高了电催化活性,而氮掺杂碳纳米纤维框架保证了快速的电荷转移和良好的结构稳定性.此外,原位形成的Mo₂C/Mo₂N晶体与碳基质之间存在较强的界面耦合作用,进一步提高了电子电导率和电催化活性.得益于这些优势,Mo₂C/Mo₂N@N-CNFs在碱性溶液中表现出优异的电催化析氢性能,在电流密度10 mV cm^-2时具有75 mV的低过电势,优于单相Mo₂C@N-CNFs对比样以及近期报道的Mo₂C/Mo₂N基催化剂.这个合成方法集成了异质结构、纳米化和碳修饰策略,为设计高效率电催化材料提供了新的参考.     

硫调控FeNi纳米合金作为双功能氧电极的研究（英文）

当前,FeNi合金由于其含量丰富、化学稳定性好的优点,在锌-空气二次电池(ZABs)中的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)方面受到了广泛的关注.然而,传统FeNi合金还具有导电性差、比表面积小、活性低等缺点,严重阻碍了它们的催化性能.我们通过对金属有机前驱体进行热处理,合成了以分级多孔碳为载体的S-调控FeNi纳米合金材料(S-FeNi/PC),以实现高效的双功能氧催化.S调控赋予了FeNi纳米合金优越的OER性能,同时还使材料保持了与Pt/C相当的ORR性能.因此,SFeNi/PC具有很好的双功能氧催化活性,优于商业的Pt/C和RuO₂贵金属基复合催化剂.值得注意的是,以S-FeNi/PC为电极组装的ZABs具有较高的比容量(792 mA h g^-1)、高峰值功率密度(123.5mW cm^-2),以及在10 mA cm^-2电流密度下可700次放电/充电循环的优异耐久性,这些性能远高于商用Pt/C-RuO₂催化剂,甚至超过了许多先前报道的工作.我们相信这项研究不仅为高效的...     

负载在Co/碳纳米纤维上的分层非晶双金属硫化物纳米片用于协同促进水电解（英文）

设计分层异质结构作为一种经济且高效的催化剂,以实现水分解的电子和界面工程,是能源存储与转化中的一个有意义的决策.在这项工作中,通过静电纺丝-碳化-电沉积的策略,制备了负载在嵌入Co纳米颗粒的碳纤维上的非晶态NiFeS纳米片(Co-C/NiFeS纳米纤维)催化剂.该催化剂具有优异的析氧反应(OER)活性,在1 mol L^-1 KOH溶液中,在10 mA cm^-2下的过电位为233 mV,Tafel斜率为53.1 mV dec^-1,同时还具有良好的析氢反应活性.此外,由Co-C/NiFeS纳米纤维作为阳极,商用Pt/C作为阴极构建的碱性Pt/C‖Co-C/NiFeS电解槽在10 mA cm^-2下实现1.48 V的低电池电压,优于基准Pt/C‖RuO₂电解槽和许多其他报道的电解槽.作为双功能电催化剂,Co-C/NiFeS‖Co-C/NiFeS自身组装的电解槽表现出70小时的长期稳定性,显著优于Pt/C‖RuO₂电解槽.该催化剂显著的OER性能得益于Co-C纳米纤...     

铱钴纳米纤维作为一种高效稳定的双功能电催化剂用于高性能水裂解（英文）

本文通过静电纺丝-煅烧-原位氢还原-置换工艺制备了嵌入铱的钴纳米纤维(Co-Ir-600).得益于独特的一维纳米纤维异质结构给予的快速电子传输和传质过程以及Ir和Co两组分之间的协同作用,Co-Ir催化剂在碱性电解质中达到10 mA cm^-2电流密度仅需169 mV的极低过电位,表现出优异的析氧电催化活性.此外,该催化剂还具有良好的析氢反应性能.我们构建了一种将Co-Ir-600纳米纤维催化剂同时作为阳极和阴极的碱性电解槽,其只需要1.51 V的低电池电压即可达到10 mA cm^-2的电流密度且耐用性好,性质明显优于参照的Pt/C||IrO₂以及许多已报道的水电解槽.本研究为制备经济高效的金属基水裂解电催化剂提供了一种通用有效的方法.     

碱性溶液中不同微观结构的Fe-N/C催化剂氧还原性能的稳定性对比研究

Fe-N/C催化剂在氧还原反应中的作用机理对于开发高效、可持续使用的非贵金属催化剂在聚合物电解质膜燃料电池中的应用至关重要, 但目前仍存在很多的难以攻克的问题。为了揭示纳米结构与电化学活性的关系, 本研究开发了一种具有高电化学活性的Fe-N/C氧还原催化剂, 该催化剂含有Fe-N_x位点和被氮掺杂的碳纳米管包裹的Fe/Fe₃C纳米晶体两种具有氧还原反应电化学活性的纳米结构。尽管不含贵金属铂, 本研究合成的Fe-N/C催化剂在碱性条件下仍显示出较高的ORR活性, 半波电势为0.86 V(vs RHE), 质量活性为18.84 A/g(0.77 V(vs RHE), 极限电流密度为-4.3 mA·cm ^-2。同时, 电子转移数为3.7(0.2 V(vs RHE), 说明Fe-N/C催化剂中4电子ORR反应的比例较高。石墨烯包覆的金属Fe/Fe₃C纳米晶生长N-CNTs后, 材料的导电性有所提高, 并且Fe-N_x活性位点在Fe/Fe₃C纳米颗粒表面分布均匀, 改善了材料的电化学活性。本研究为非贵金属氧还原电催化剂的继续深入研究以及广泛应用于商业化生产提供了一定的借鉴和依据。     

NiS/Ni3S2@NiWO4纳米阵列用于构造能量密度创新高的全固态混合超级电容器

混合型纳米电极材料的合理设计及合成对于其不同的应用具有重要意义,尤其是对于可用于下一代电动汽车和电子设备供电的高效纳米结构超级电容器(SCs)储能器件.本文报道了一种简便可控合成核-壳Ni₃S₂@NiWO₄纳米阵列的方法,并将其用于混合超级电容器的独立电极.在5 mA cm^-2的条件下,所制备的Ni₃S₂@NiWO₄独立电极表现出高达2032μA h cm^-2的面积容量;即使电流密度增至50 mA cm^-2,其容量保留率仍为63.6%.更重要的是,在功率密度为3.128 mW cm^-2时,该Ni₃S₂@NiWO₄纳米阵列混合超级电容器仍表现出1.283 mW h cm^-2的最大能量密度;而在能量密度为0.753 mW h cm^-2时,该超级电容器表现出的最大功率密度为41.105 mW cm^-2.此外,该混合超级电容器在连续10,000次循环后仍能保持89.6%的原始容量,从而进一步证明其优异的稳定性.本研究为合理设计各种核壳金属纳米结构提供了便捷途径,有助于促进其在高性能储能器件领域的广泛应用.     

界面工程用于提高CoP-Co2P多晶型物在全pH值析氢反应和碱性全解水反应中的电催化性能(英文)

开发具有丰富活性位点和高本征活性的磷化钴催化剂,用于高效且稳定的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)具有重要意义.本工作通过精准地控制球形膦酸钴的热还原温度合理地构建了新型的碳包裹的CoP-Co₂P多晶型物.独特的多级孔结构和CoP-Co₂P之间的异质界面不仅提高了活性位点的数量,而且还保证了优异的内在催化活性.所制备的催化剂展现出优异的电催化活性和稳定性(对于全pH值H E R(0.5 mol L~(-1H₂SO₄:81 mV@10 mA cm^-2; 1.0 mol L^-1KOH:109 mV@10 mA cm^-2; 1.0 mol L^-1PBS:227 mV@10 mA cm^-2)和碱性OER(1.0 mol L^-1KOH:1.53 V@10 mA cm^-2)).在作为双电极电解槽中全解水反应的双功能电催化剂时,该材料可以在1.60 V的低电...     

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。     

自支撑NiMoP@NiFeP异质结电极的制备及其电催化析氧性能研究

析氧反应(OER)是水分解一个重要的半反应,开发高效稳定的非贵金属基电催化剂用于大规模产氢仍面临巨大挑战。采用水热和低温磷化的方法在泡沫镍(NF)上原位构筑了NiMoP@NiFeP/NF复合电极。利用扫描电子显微镜(SEM),X射线光电子能谱(XPS)等对所制备电极的微观形貌和组成电极元素的价态进行表征。此外,通过电化学测试表明,NiMoP@NiFeP/NF电催化剂在1 mol/L KOH电解液中驱动100 mA/cm²的电流密度仅需246 mV的过电势,塔菲尔斜率为54.6 mV/dec,且至少能保持20 h的稳定性。为制备非贵金属基的催化剂,用于能源的存储和转换提供了一种有效途径。     

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。     

碱性溶液中不同微观结构的Fe-N/C催化剂氧还原性能的稳定性对比研究（英文）

Fe-N/C催化剂在氧还原反应中的作用机理对于开发高效、可持续使用的非贵金属催化剂在聚合物电解质膜燃料电池中的应用至关重要,但目前仍存在很多的难以攻克的问题。为了揭示纳米结构与电化学活性的关系,本研究开发了一种具有高电化学活性的Fe-N/C氧还原催化剂,该催化剂含有Fe-N_x位点和被氮掺杂的碳纳米管包裹的Fe/Fe₃C纳米晶体两种具有氧还原反应电化学活性的纳米结构。尽管不含贵金属铂,本研究合成的Fe-N/C催化剂在碱性条件下仍显示出较高的ORR活性,半波电势为0.86 V(vs RHE),质量活性为18.84 A/g(0.77 V(vs RHE),极限电流密度为–4.3 mA·cm^–2。同时,电子转移数为3.7(0.2 V(vs RHE),说明Fe-N/C催化剂中4电子ORR反应的比例较高。石墨烯包覆的金属Fe/Fe₃C纳米晶生长N-CNTs后,材料的导电性有所提高,并且Fe-N_x活性位点在Fe/Fe₃C纳米颗粒表面分布均匀,改善了材料的电化学活性。本研究...     

空间限域策略合成碳布负载超小Co4N纳米点复合氮掺杂碳用于高效的宽pH全解水(英文)

开发用于宽pH范围内进行全解水的高效稳定电催化剂是当下的研究热点,但也面临着巨大的挑战.我们通过一种新的空间限域策略合成了锚定在氮掺杂碳(NC)框架表面的超小Co₄N纳米点(Co₄N@NC).该方法的关键在于功能化低共熔溶剂前驱体组分的设计,由于组分间的氢键相互作用,最终使得超小Co₄N纳米点锚定在NC框架上.通过该策略合成的Co₄N@NC可以在两相界面处形成新的Co–C化学键,新化学键的形成有利于界面处电子快速转移,并优化了反应物种的吸附/脱附能. Co₄N@NC在不同pH值下表现出优异的电催化全解水活性,仅需要1.47 V (0.5 mol L^-1H₂SO₄), 1.48 V (1.0 mol L^-1KOH)和1.61 V(1.0 mol L^-1PBS)的电位即可达到10 m A cm^-2的电流密度.本工作为合理设计用于不同电解质下稳定运行的电...     

具有协同电子结构和形貌调控功能的三元Co1-xVxP纳米针阵列在大电流下的析氢性能研究

制备具有大电流析氢性能的非贵金属电催化剂是一个巨大挑战.协同调控催化剂的电子结构和形貌能够增强其本征催化能力和增加活性位点,被认为是提高催化性能的有效方法.本文以具有协同电子结构和形貌调控功能的三元Co_1-xV_xP纳米针阵列作为碱性析氢的高效电催化剂.实验和理论计算结果表明,其优异的催化性能来源于物理化学性质的提高、活性表面积的增加及反应动力学的加速.此外,组装的(NF@Co_1-xV_x–HNNs(+)||NF@Co_1-xV_xP(-))电解池在1.58、1.75和1.92 V的电压下,能够分别得到10、100和300 mA cm^-2的电流密度.     

NiFe-植酸复合物的室温制备及其全解水电催化性能

制备高稳定性、高活性双功能催化剂用于全解水制氢是氢能源大规模商业化应用的重要环节之一。本文以植酸(PA)、六水合氯化铁(FeCl₃·6H₂O)和六水合氯化镍(NiCl₂·6H₂O)为原料,采用两步室温浸渍法在泡沫镍(NF)上制备了片状无定形植酸-镍铁双金属复合材料(NiFe-PA)。采用线性扫描伏安法(LSV)考察了NiFe-PA修饰NF电极(NiFe-PA/NF)在碱性条件(1.0 mol/L KOH)的电解水催化性能。实验结果表明：由于NiFe双金属之间的协同效应,NiFe-PA/NF作为双功能催化剂显示出优越的析氧和析氢性能。NiFe-PA/NF电极在50 mA·cm^-2电流密度下析氧反应的过电位仅需220 mV;在10 mA·cm^-2电流密度下的析氢反应的过电位为135 mV。将NiFe-PA/NF组装成双电极系统用于全解水,达到10 mA·cm^-2电流密度的电池电压仅需1.61 V,低于贵金属催化剂体系RuO₂     

超快碳热冲击将废旧锂电池正极材料变废为宝制备多功能电极用于水分解和可充锌空气电池（英文）

随着锂离子电池在电动汽车和日常电子器件中的应用越来越广泛,亟需开发废旧锂电池电极材料回收技术.本文提出采用超快碳热冲击的方法将锂电池正极材料LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂快速转化成Ni/Ni-MnCo-O (N/NMCO)复合材料,其在氧析出(OER)、氧还原(ORR)、氢析出(HER)等反应中表现出优异性能. N/NMCO复合材料可以被同时用于电解水器件的正极和负极,并用于锌空气电池的正极,电池比容量可达781 mA h g^-1,能量密度达到137 mW cm^-2,充放电压差仅为0.71 V,且可以稳定运行超过30 h.本工作提供了一种“变废为宝”的策略,将废旧锂离子电池正极材料转化为高效电极材料用于其他能源存储与转换器件中.     

碱式磷酸氢钴双功能电催化剂及其在可充电锌-空气电池中的应用

具有高效和长循环的空气正极对构建高性能的可充电锌-空气电池(ZABs)至关重要。在此,首次采用水油两相水热合成方法,成功制备了一种双功能氧电催化剂Co₃(OH)₂(HPO₄)₂(Co-OH-HPi)。研究表明：Co-OH-HPi电催化剂具有较大比表面积和Co (Ⅲ)活性位点,展示出优异的ORR/OER双功能电催化性能。将该材料作为空气正极组装成ZABs后,具有较小的双功能氧电催化剂电势间隙(ΔE=0.81 V),1.42 V的高开路电压,在10 mA·cm^-2电流密度下816 mAh·g_Zn^-1的大放电比容量和150 mW·cm^-2的高峰功率密度。该研究提供了一种新颖的策略来合成优异的双功能电催化剂并应用于先进的锌-空气电池。