简便方法制备氮掺杂的碳球用作高效非金属氧还原催化剂

doi:10.1016/S1872-2067(18)63078-5

催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (6): 1138-1145.DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63078-5

• 论文 • 上一篇

简便方法制备氮掺杂的碳球用作高效非金属氧还原催化剂

童金辉^a, 李文艳^a, 薄丽丽^b, 王文慧^a, 李玉梁^a, 李涛^a, 张琦^a, 范海燕^c

a 西北师范大学化学化工学院, 甘肃省高分子材料重点实验室, 生态环境相关高分子材料教育部重点实验室, 甘肃兰州 730070, 中国;
b 甘肃农业大学理学院, 甘肃兰州 730070, 中国;
c 纳扎尔巴耶夫大学科学技术学院化学系, 阿斯塔纳 010000, 哈萨克斯坦

收稿日期:2018-04-18 修回日期:2018-04-23 出版日期:2018-06-18 发布日期:2018-05-16
通讯作者: 童金辉, 范海燕
基金资助:
国家自然科学基金（21363021，51302222）；长江学者和创新团队发展计划（IRT15R56）.

Simple synthesis of nitrogen-doped carbon spheres as a highly efficient metal-free electrocatalyst for the oxygen reduction reaction

Jinhui Tong^a, Wenyan Li^a, Lili Bo^b, Wenhui Wang^a, Yuliang Li^a, Tao Li^a, Qi Zhang^a, Haiyan Fan^c

a Key Laboratory of Polymer Materials of Gansu Province, Key Laboratory of Eco-Environment-Related Polymer Materials Ministry of Education, College of Chemistry and Chemical Engineering, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, Gansu, China;
b College of Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China;
c Department of Chemistry, School of Science and Technology, Nazarbayev University, Astana 010000, Kazakhstan

Received:2018-04-18 Revised:2018-04-23 Online:2018-06-18 Published:2018-05-16
Contact: 10.1016/S1872-2067(18)63078-5
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21363021, 51302222) and Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT15R56).

摘要/Abstract

摘要：

随着人们环保意识的不断增强，社会对清洁能源的需求也日益增加.燃料电池具有效率高，燃料来源丰富，可直接将化学能转化成电能且污染小等优点，因而受到了广泛关注.然而，燃料电池的阴极氧还原反应（ORR）速率较慢，成为提高燃料电池整体效率的制约因素.因此，开发高性能的ORR催化剂，加快ORR反应速率具有非常重要的意义.目前，Pt基催化剂被认为是活性最好的商用ORR电催化剂.尽管此类催化剂具有较高的催化活性和良好的稳定性，但Pt的储量有限，价格高昂，抗燃料毒化性能差，限制了其大规模应用.
近年来，为了减小Pt的用量，降低催化剂成本，人们除了致力于研究贵金属合金催化剂及非贵金属催化剂外，还把目光聚焦在了非金属催化剂，特别是碳及其复合材料的研究上.在众多碳材料中，碳球因具有良好的表面渗透性和较高的机械稳定性而被广泛应用于催化、吸附、药物输送和能量存储及转化等领域中.然而，碳球的表面化学惰性较强，比表面积较低，使其部分应用受到了限制.因此，人们采用了多种方法来调控碳球的物理化学性质.其中，向碳材料中掺入杂原子，尤其是氮原子的方法广受青睐.因为杂原子的掺入会显著增强作为主体的碳原子给电子的能力和表面吸附性质，从而对ORR表现出优异的催化活性和稳定性.
本文以蔗糖作为碳源，三聚氰胺作为氮源，采用水热法及高温热解法制备了一系列氮掺杂的生物质碳球.并对氮掺杂量及热解温度进行了优化.结果表明，石墨化程度及石墨氮含量的提高，能有效地提高催化剂的活性.在优化了的条件下得到的催化剂N^0.1C^1.9S-900，表现出了比商业Pt/C催化剂更好的ORR催化性能.在0.1 mol/L KOH中，该催化剂催化ORR的起始电位和半波电位分别为-22.6和-133.6 mV （vs.Ag/AgCl），极限电流密度为4.6 mA/cm²，分别比商业Pt/C高出7.2 mV，5.9 mV和0.2 mA/cm².同时，在经过30000 s的稳定性测试中，N_0.1C_1.9S-900催化剂的电流损失也远低于Pt/C，表明该催化剂具有良好的稳定性.此外，在抗甲醇毒化实验中，相比于商业Pt/C，N_0.1C_1.9S-900催化剂对甲醇有更好的耐受性.另外，该催化剂催化的ORR属于高效的4e^-途径.可见，该催化剂作为燃料电池的阴极氧还原反应催化剂具有广阔的前景.

关键词: 氮掺杂, 碳球, 无金属催化剂, 氧还原反应

Abstract:

In the present work, nitrogen-doped carbon spheres were synthesized through a simple hydrothermal treatment using glucose and melamine as inexpensive carbon and nitrogen sources, respectively. The ratio of melamine to glucose and annealing temperature were optimized. The final optimal sample exhibited a catalytic activity for the oxygen reduction reaction (ORR) that was superior than that of commercial 20%Pt/C in 0.1 mol/L KOH. It revealed an onset potential of -22.6 mV and a half-wave potential of -133.6 mV (vs. Ag/AgCl), which are 7.2 and 5.9 mV more positive than those of the 20%Pt/C catalyst, respectively, as well as a limiting current density of 4.6 mA/cm², which is 0.2 mA/cm² higher than that of the 20%Pt/C catalyst. The catalyst also exhibited higher stability and superior durability against methanol than 20%Pt/C. Moreover, ORRs on this catalyst proceed through a more effective 4e^- path. The above mentioned superiority of the as-prepared catalyst makes it promising for fuel cells.

Key words: Nitrogen doping, Carbon spheres, Metal-free catalyst, Oxygen reduction reaction

童金辉, 李文艳, 薄丽丽, 王文慧, 李玉梁, 李涛, 张琦, 范海燕. 简便方法制备氮掺杂的碳球用作高效非金属氧还原催化剂[J]. 催化学报, 2018, 39(6): 1138-1145.

Jinhui Tong, Wenyan Li, Lili Bo, Wenhui Wang, Yuliang Li, Tao Li, Qi Zhang, Haiyan Fan. Simple synthesis of nitrogen-doped carbon spheres as a highly efficient metal-free electrocatalyst for the oxygen reduction reaction[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(6): 1138-1145.

×
扫码分享

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(18)63078-5

https://www.cjcatal.com/CN/Y2018/V39/I6/1138

参考文献

[1] G. Wu, K. L. More, C. M. Johnston, P. Zelenay, Science, 2011, 332,443-447.
[2] M. Lefevre, E. Proietti, F. Jaouen, J. P. Dodelet, Science, 2009, 324, 71-74.
[3] Y. Liang, Y. Li, H. Wang, J. Zhou, J. Wang, T. Regier, H. Dai, Nat. Mater., 2011, 10, 780-786.
[4] H. T. Chung, J. H. Won, P. Zelenay, Nature Commun., 2013, 4, 1-5.
[5] F. Jaouen, E. Proietti, M. Lefevre, R. Chenitz, J. P. Dodelet, G. Wu, H. T. Chung, C. M. Johnston, P. Zelenay, Energy & Environ. Sci., 2011, 4, 114-130.
[6] K. P. Gong, F. Du, Z. H. Xia, M. Durstock, L. M. Dai, Science, 2009, 323, 760-764.
[7] M. Winter, R. J. Brodd, Chem. Rev., 2004, 104, 4245-4269.
[8] Y. Z. Bai, B. L. Yi, J. Li, S. F. Jiang, H. J. Zhang, Z. G. Shao, Y. J. Song, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1127-1133.
[9] J. F. Kong, W. L. Cheng, Chin. J. Catal., 2017, 38, 951-69.
[10] B. Wang, J. Power Sources, 2005, 152, 1-15.
[11] R. F. Wang, T. B. Zhou, H. Li, H. Wang, H. Q. Feng, J. Goh, S. Ji, J. Power Sources, 2014, 261, 238-244.
[12] S. Y. Wang, D. S. Yu, L. M. Dai, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 5182-5185.
[13] J. Liu, S. Z. Qiao, H. Liu, J. Chen, A. Orpe, D. Y. Zhao, G. Q. Lu, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 5947-5951.
[14] Y. Fang, D. Gu, Y. Zou, Z. X. Wu, F. Y. Li, R. C. Che, Y. H. Deng, B. Tu, D. Y. Zhao, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 7987-7991.
[15] D. G. Gu, R. G. Ma, Y. Zhou, F. F. Wang, K. Yan, Q. A. Liu, J. C. Wang, ACS Sustainable Chem. Eng., 2017, 5, 11105-11116.
[16] S. Mezzavilla, C. Baldizzone, K. J. J. Mayrhofer, F. Schuth, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 12914-12922.
[17] J. Wei, Y. Liang, X. Y. Zhang, G. P. Simon, D. Y. Zhao, J. Zhang, S. P. Jiang, H. T. Wang, Nanoscale, 2015, 7, 6247-6254.
[18] M. H. Naveen, K. Shim, M. S. A. Hossain, J. H. Kim, Y. B. Shim, Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1602002.
[19] T. S. Zhou, Y. Zhou, R. G. Ma, Z. Z. Zhou, G. H. Liu, Q. Liu, Y. F. Zhu, J. C. Wang, Carbon, 2017, 114, 177-186.
[20] J. W. Xiao, C. Zhao, C. C. Hu, J. B. Xi, S. Wang, J. Power Sources, 2017, 348, 183-192.
[21] K. N. Wood, R. O'Hayre, S. Pylypenko, Energy & Environ. Sci., 2014, 7, 1212-1249.
[22] X. Q. Wang, J. S. Lee, Q. Zhu, J. Liu, Y. Wang, S. Dai, Chem. Mater., 2010, 22, 2178-2180.
[23] X. L. Yang, W. J. Zou, Y. H. Su, Y. H. Zhu, H. L. Jiang, J. H. Shen, C. Z. Li, J. Power Sources, 2014, 266, 36-42.
[24] Q. Shi, R. Y. Zhang, Y. Y. Lv, Y. H. Deng, A. A. Elzatahrya, D. Y. Zhao, Carbon, 2015, 84, 335-346.
[25] H. Chang, S. H. Joo, C. Pak, J. Mater. Chem., 2007, 17, 3078-3088.
[26] J. Wang, H. Y. Liu, J. Y. Diao, X. M. Gu, H. H. Wang, J. F. Rong, B. N. Zong, D. S. Su, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 2305-2313.
[27] J. Yu, M. Y. Guo, F. Muhammad, A. F. Wang, F. Zhang, Q. Li, G. S. Zhu, Carbon, 2014, 69, 502-514.
[28] L. J. Zhang, X. Y. Wang, R. H. Wang, M. C. Hong, Chem. Mater., 2015, 27, 7610-7618.
[29] Y. H. Su, H. L. Jiang, H. Y. Zhu, X. L. Yang, J. H. Shen, W. J. Zou, J. D. Chen, C. Z. Li, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 7281-7287.
[30] H. Niwa, K. Horiba, Y. Harada, M. Oshima, T. Ikeda, K. Terakura, J. I. Ozaki, S. Miyata, J. Power Sources, 2009, 187, 93-97.
[31] B. Zheng, J. Wang, F. B. Wang, X. H. Xia, Electrochem. Commun., 2013, 28, 24-26.
[32] H. L. Jiang, Y. H. Zhu, Q. Feng, Y. H. Su, X. L. Yang, C. Z. Li, Chem. A Eur. J., 2014, 20, 3106-3112.
[33] Y. M. Tan, C. F. Xu, G. X. Chen, X. L. Fang, N. F. Zheng, Q. J. Xie, Adv. Fun. Mater., 2012, 22, 4584-4591.
[34] V. Selvaraj, M. Alagar, K. S. Kumar, Appl. Catal. B, 2007, 75, 129-138.
[35] Y. Y. Jiang, Y. Z. Lu, X. D. Wang, Y. Bao, W. Chen, L. Niu, Nanoscale, 2014, 6, 15066-15072.
[36] Z. Yang, Z. Yao, G. F. Li, G. Y. Fang, H. G. Nie, Z. Liu, X. M. Zhou, X. A. Chen, S. M. Huang, ACS Nano, 2012, 6, 205-211.
[37] R. L. Liu, D. Q. Wu, X. L. Feng, K. Muellen, Angew Chem. Int. Ed., 2010, 49, 2565-2569.

简便方法制备氮掺杂的碳球用作高效非金属氧还原催化剂

Simple synthesis of nitrogen-doped carbon spheres as a highly efficient metal-free electrocatalyst for the oxygen reduction reaction

PDF

Supporting Information

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

扫码分享

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	赵磊, 张震, 朱昭昭, 李平波, 蒋金霞, 杨婷婷, 熊佩, 安旭光, 牛晓滨, 齐学强, 陈俊松, 吴睿. 缺陷氮掺杂碳耦合Co-N₅单原子位点用于高效锌-空气电池[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 216-224.
[2]	贡立圆, 王颖, 刘杰, 王显, 李阳, 侯帅, 武志坚, 金钊, 刘长鹏, 邢巍, 葛君杰. 重塑位于火山曲线右支的弱吸附金属单原子位点的配位环境及电子结构[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 352-360.
[3]	张光颖, 刘旭, 张欣欣, 梁志坚, 邢耕宇, 蔡斌, 沈迪, 王蕾, 付宏刚. P修饰提高Fe-N-C的氧反应活性用于高稳定的锌-空气电池[J]. 催化学报, 2023, 49(6): 141-151.
[4]	杨文倩, 薛自前, 杨俊, 冼家慧, 刘庆林, 范雅楠, 郑凯, 廖锫钦, 苏徽, 刘庆华, 李光琴, 苏成勇. 氮掺杂多孔碳负载Fe纳米颗粒用于高性能电催化还原CO₂与Zn-CO₂电池[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 185-194.
[5]	姜润, 乔泽龙, 许昊翔, 曹达鹏. 用于氧还原反应的Fe-N-C单原子催化剂的缺陷工程[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 224-234.
[6]	张文静, 李静, 魏子栋. 碳基氧还原电催化剂: 机理研究和多孔结构[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 15-31.
[7]	詹麒尼, 帅婷玉, 徐慧民, 黄陈金, 张志杰, 李高仁. 单原子催化剂的合成及其在电化学能量转换中的应用[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 32-66.
[8]	唐甜蜜, 王寅, 韩憬怡, 张巧巧, 白雪, 牛效迪, 王振旅, 管景奇. 用于氧还原反应的双原子钴-铁催化剂[J]. 催化学报, 2023, 46(3): 48-55.
[9]	吴则星, 高玉肖, 王子璇, 肖卫平, 王新萍, 李彬, 李镇江, 刘晓斌, 马天翼, 王磊. 表面富集的超小铂纳米颗粒耦合缺陷磷化钴用于高效的电催化水分解和柔性锌空气电池[J]. 催化学报, 2023, 46(3): 36-47.
[10]	刘轩, 梁嘉顺, 李箐. 燃料电池金属间Pt-M合金氧还原催化剂的设计原理及合成方法[J]. 催化学报, 2023, 45(2): 17-26.
[11]	樊哲琛, 万浩, 余浩, 葛君杰. 用于氧还原电催化的Fe-M-N-C基双原子催化剂的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 54(11): 56-87.
[12]	王宁宁, 王硕, 李灿, 李晨阳, 刘春江, 陈闪山, 章福祥. ZrO₂修饰均匀氮掺杂氧化物MgTa₂O_6-_xN_x以提升其光催化分解水性能[J]. 催化学报, 2023, 54(11): 220-228.
[13]	夏苏为, 周其兴, 孙若栩, 陈立章, 张明义, 庞欢, 徐林, 杨军, 唐亚文. 在N掺杂碳纳米管/纳米线耦合超结构中原位固载CoNi纳米颗粒制备莫特-肖特基催化剂并用于高效电催化氧还原反应[J]. 催化学报, 2023, 54(11): 278-289.
[14]	商禹, 丁云轩, 张培立, 王梅, 贾玉飞, 徐云龙, 李亚晴, 范科, 孙立成. 吡啶氮或吡咯氮: 氮掺杂碳催化剂在电催化还原CO₂中活性中心研究[J]. 催化学报, 2022, 43(9): 2405-2413.
[15]	程瑶佳, 宋昊强, 于镜坤, 常江伟, Geoffrey I. N. Waterhouse, 唐智勇, 杨柏, 卢思宇. 碳点衍生的碳纳米花负载钴单原子和纳米颗粒用于高效的氧还原反应[J]. 催化学报, 2022, 43(9): 2443-2452.