碳模板诱导生长Fe-Nx活性位点

doi:10.1016/S1872-2067(18)63107-9

催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (8): 1427-1435.DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63107-9

• 论文 • 上一篇

碳模板诱导生长Fe-N_x活性位点

张世明^a,b,c, 张鹤友^b, 张维民^a, 原鲜霞^a, 陈胜利^b, 马紫峰^a,c

a 上海交通大学化学工程系, 上海电化学能源器件工程技术研究中心, 上海 200240;
b 武汉大学化学与分子科学学院, 湖北省化学电源材料与技术重点实验室, 教育部生物医学分析化学重点实验室, 湖北武汉 430072;
c 上海中聚佳华电池科技有限公司, 中聚电池研究院, 上海 200241

收稿日期:2018-01-04 修回日期:2018-05-27 出版日期:2018-08-18 发布日期:2018-07-04
通讯作者: 陈胜利, 马紫峰
基金资助:
国家自然科学基金（21606149，2163308）；中国博士后基金（2016M591678）；上海市青年科技启明星计划资助（18QB1404400）；上海市科研计划项目（18511110803）.

Induced growth of Fe-N_x active sites using carbon templates

Shiming Zhang^a,b,c, Heyou Zhang^b, Weimin Zhang^a, Xianxia Yuan^a, Shengli Chen^b, Zi-Feng Ma^a,c

a Department of Chemical Engineering, Shanghai Electrochemical Energy Devices Research Center, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;
b College of Chemistry and Molecular Sciences, Hubei Key Laboratory of Electrochemical Power Sources, Key Laboratory of Analytical Chemistry for Biology and Medicine(Ministry of Education), Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China;
c Sinopoly Battery Research Center, Shanghai Sinopoly Jiahua Battery Technology Co., Ltd., Shanghai 200241, China

Received:2018-01-04 Revised:2018-05-27 Online:2018-08-18 Published:2018-07-04
Contact: 10.1016/S1872-2067(18)63107-9
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21606149, 2163308), the China Postdoctoral Science Foundation (2016M591678), the Shanghai Rising-Star Program (18QB1404400), and the Shanghai Scientific Research Project (18511110803).

摘要/Abstract

摘要：

能源危机和环境恶化是当今社会面临的巨大挑战.燃料电池作为一种高效、清洁的发电装置，受到了社会各界特别是新能源行业的高度关注.尤其是，日本丰田推出Mirai燃料电池汽车量产上市计划，把燃料电池及其关键技术发展推向了一个新的发展纪元.然而，制约燃料电池走向大规模商业化的核心问题依然是其综合性能不具竞争力.其中，氧电极的缓慢动力学以及贵金属Pt的有限资源、高昂成本等是关键所在，因此，亟待实现高性能非贵金属催化剂的突破.
近年来，大量研究表明，Fe-N_x掺杂的碳催化剂具有极大的代Pt潜力，研究者们尝试各种手段进行开发，如：调控Fe化合物及N前驱体的类型与添加量，改变温度、压力等合成条件，采用轴向配位体连接、共价接枝、球磨等非热解路线，构建核壳、有序介孔碳、阵列、类石墨烯薄片、多孔碳等碳纳米结构，制备石墨烯/碳纳米管、石墨烯/碳黑、碳纳米带/碳纳米管、碳纳米颗粒/碳纤维、碳球/碳纳米管/石墨烯等复合材料，进行酸洗、造孔、二次加热等后处理，调控不同类型Fe物种相生成等.此外，EXAFS及Mössbauer等谱学技术已经证实Fe-N_x特别是Fe-N₄为强活性位点.因此，有待提出合理策略以促进非贵金属碳催化剂中Fe-N_x强活性位点的高密度掺杂.
本文提出了一种碳模板诱导Fe-N_x活性位点生长的方法即通过高温热解含有Fe盐的三聚氰胺前驱体混合物，成功制备了Fe-N_x掺杂的碳催化剂，并结合多种表征技术证实了碳模板对制备碳催化剂结构组成及电化学性能的影响.形貌结果说明，碳模板的引入有利于Fe、N化合物的均匀吸附以至于Fe基纳米颗粒的均一成核，促使竹状碳纳米管在碳模板表面以及中间均一生长；氮气吸脱附及孔径分布曲线显示，引入碳模板形成的复合材料较单一的碳纳米管和碳黑材料具有提高的比表面积和总孔体积，说明复合材料中存在两种单体的有效协同； Mössbauer、XPS及XRD测试数据证实，碳模板可以调控Fe、N两种元素的耦合方式，能够抑制金属Fe和Fe碳化物等非活性Fe物种的生成、诱导Fe-N₄和其它Fe氮化物等强活性Fe-N_x物种的生长.电化学测试数据表明，复合材料具有提升的面积活性和质量活性，且TOF值明显提高，说明碳模板的引入增强了Fe-N_x位点的本征活性；此外，复合材料的氧还原过程为高效的4e^-途径，且较商业Pt/C催化剂表现出了优异的循环稳定性和甲醇耐受性.

关键词: 氧还原反应, 非贵金属电催化剂, Fe-N_x, 诱导生长, 碳模板

Abstract:

Highly active Fe-N_x sites that effectively improve the performance of non-precious metal electrocatalysts for oxygen reduction reactions (ORRs) are desirable. Herein, we propose a strategy for introducing a carbon template into a melamine/Fe-salt mixture to inductively generate highly active Fe-N_x sites for ORR. Using ⁵⁷Fe Mössbauer spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and X-ray diffraction, we studied the structural composition of the Fe and N co-doped carbon catalysts. Interestingly, the results showed that this system not only converted inactive Fe and Fe-carbides into active Fe-N₄ and other Fe-nitrides, but also improved their intrinsic activities.

Key words: Oxygen reduction reaction, Non-precious-metal electrocatalyst, Fe-N_x, Induced growth, Carbon template

张世明, 张鹤友, 张维民, 原鲜霞, 陈胜利, 马紫峰. 碳模板诱导生长Fe-N_x活性位点[J]. 催化学报, 2018, 39(8): 1427-1435.

Shiming Zhang, Heyou Zhang, Weimin Zhang, Xianxia Yuan, Shengli Chen, Zi-Feng Ma. Induced growth of Fe-N_x active sites using carbon templates[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(8): 1427-1435.

×
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)63107-9

https://www.cjcatal.com/CN/Y2018/V39/I8/1427

参考文献

[1] M. Shao, Q. Chang, J. P. Dodelet, R. Chenitz, Chem. Rev., 2016, 116, 3594-3657.
[2] W. Wang, W. Chen, P. Miao, J. Luo, Z. Wei, S. Chen, ACS Catal., 2017, 7, 6144-6149.
[3] W. Wang, J. Luo, W. H. Chen, J. Li, W. Xing, S. Chen, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 12768-12773.
[4] Y. Xie, W Zhang, S. Gu, Y. Yan, Z. F. Ma, Chin. J. Chem. Eng., 2016, 24, 39-47.
[5] Q. Jia, S. Ghoshal, J. Li, W. Liang, G. Meng, H. Che, S. Zhang, Z. F. Ma, S. Mukerjee, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 7893-7903.
[6] J. Li, A. Alsudairi, Z. F. Ma, S. Mukerjee, Q. Jia, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 1384-1387.
[7] J. Li, S. Ghoshal, W. Liang, M. T. Sougrati, F. Jaouen, B. Halevi, S. McKinney, G. McCool, C. Ma, X. Yuan, Z. F. Ma, S. Mukerjee, Q. Jia, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 2418-2432.
[8] H. R. Byon, J. Suntivich, E. J. Crumlin, S. H. Yang, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 21437-21445.
[9] S. Zhang, H. Zhang, Q. Liu, S. Chen, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 3302-3308.
[10] S. Zhang, B. Liu, S, Chen, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 18482-18490.
[11] S. H. Liu, J. R. Wu, Electrochim. Acta, 2014, 135, 147-153.
[12] Y. Zhu, B. Zhang, X. Liu, D. W. Wang, D. S. Su, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 10673-10677.
[13] C. Dominguez, F. J. Perez-Alonso, M. A. Salam, S. A. Al-Thabaiti, M. A. Pena, L. Barrioa, S. Rojas, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 24487-24494.
[14] M. Ferrandon, A. J. Kropf, D. J. Myers, K. Artyushkova, U. Kramm, P. Bogdanoff, G. Wu, C. M. Johnston, P. Zelenay, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 16001-16013.
[15] C. Gumeci, N. Leonard, Y. Liu, S. McKinney, B. Halevib, S. C. Barton, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 21494-21500.
[16] R. Cao, R. Thapa, H. Kim, X. Xu, M. G. Kim, Q. Li, N. Park, M. Liu, J. Cho, Nat. Commun., 2013, 4, 2076.
[17] P. J. Wei, G. Q. Yu, Y. Naruta, J. G. Liu, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 6659-6663.
[18] S. Zhang, H. Zhang, X. Hua, S. Chen, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 10013-10019.
[19] J. Y. Cheon, T. Kim, Y. Choi, H. Y. Jeong, M. G. Kim, Y. J. Sa, J. Kim, Z. Lee, T. H. Yang, K. Kwon, O. Terasaki, G. G. Park, R. R. Adzic, S. H. Joo, Sci. Rep., 2013, 3, 2715.
[20] K. Gong, F. Du, Z. Xia, M. Durstock, L. Dai, Science, 2009, 323, 760-764.
[21] G. Wu, P. Zelenay, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1878-1889.
[22] J. Zhang, Q. Li, H. Wu, C. Zhang, K. Cheng, H. Zhou, M. Pan, S. Mu, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 10851-10857.
[23] M. Wang, Y. Yang, X. Liu, Z. Pu, Z. Kou, P. Zhu, S. Mu, Nanoscale, 2017, 9, 7641-7649.
[24] D. He, Y. Xiong, J. Yang, X. Chen, Z. Deng, M. Pan, Y. Li, S. Mu, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 1930-1934.
[25] Q. Liu, H. Zhang, H. Zhong, S. Zhang, S. Chen, Electrochim. Acta, 2012, 81, 313-320.
[26] C. Chen, X. Zhang, Z. Y. Zhou, X. D. Yang, X. S. Zhang, S. G. Sun, Electrochim. Acta, 2016, 222, 1922-1930.
[27] G. Panomsuwan, N. Saitobcd, T. Ishizaki, RSC Adv., 2016, 6, 114553-114559.
[28] Y. Chen, R. Gokhale, A. Serov, K. Artyushkova, P. Atanassov, Nano Energy, 2017, 38, 201-209.
[29] U. I. Kramm, I. Herrmann-Geppert, P. Bogdanoff, S. Fiechter, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 23417-23427.
[30] F. J. Perez-Alonso, C. Dominguez, S. A. Al-Thabaiti, A. O. Al-Youbi, M. Abdel Salam, A. A. Alshehri, M. Retuerto, M. A. Pena, S. Rojas, J. Power Sources, 2016, 327, 204-211.
[31] T. Sun, Y. Jiang, Q. Wu, L. Du, Z. Zhang, L. Yang, X. Wang, Z. Hu, Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 51-55.
[32] L. Gu, L. Jiang, X. Li, J. Jin, J. Wang, G. Sun, Chin. J. Catal., 2016, 37, 539-548.
[33] W. Shi, Y. C. Wang, C. Chen, X. D. Yang, Z. Y. Zhou, S. G. Sun, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1103-1108.
[34] Y. Chen, X. Hua, S. Chen, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1166-1171.
[35] J. Kong, W. Cheng, Chin. J. Catal., 2017, 38, 951-969.
[36] C. Chen, Z. Zhou, Y. Wang, X. Zhang, X. Yang, X. Zhang, S. Sun, Chin. J. Catal., 2017, 38, 673-682.
[37] D. Deng, L. Yu, X. Chen, G. Wang, L. Jin, X. Pan, J. Deng, G. Sun, X. Bao, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 371-375.
[38] J. P. Dodelet, R. Chenitz, L. Yang, M. Lefevre, ChemCatChem, 2014, 6, 1866-1867.
[39] Y. Hu, J. O. Jensen, W. Zhang, L. N. Cleemann, W. Xing, N. J. Bjerrum, Q. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 3675-3679.
[40] Z. Y. Wu, X. X. Xu, B. C. Hu, H. W. Liang, Y. Lin, L. F. Chen, S. H. Yu, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 8179-8183.
[41] W. Yang, X. Liu, X. Yue, J. Jia, S. Guo, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 1436-1439.
[42] Y. J. Sa, D. J. Seo, J. Woo, J. T. Lim, J. Y. Cheon, S. Y. Yang, J. M. Lee, D. Kang, T. J. Shin, H. S. Shin, H. Y. Jeong, C. S. Kim, M. G. Kim, T. Y. Kim, S. H. Joo, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15046-15056.
[43] J. P. Tessonnier, D. S. Su, ChemSusChem, 2011, 4, 824-847.
[44] X. Wu, Y. Tao, Y. Lu, L. Dong, Z. Hu, Diam. Relat. Mater., 2006, 15, 164-170.
[45] B. G. Sumpter, J. Huang, V. Meunier, J. M. Romo-Herrera, E. Cruz-Silva, H. Terrones, M. Terrones, Int. J. Quantum Chem., 2009, 109, 97-118.
[46] H. W. Liang, W. Wei, Z. S. Wu, X. Feng, K. Müllen, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 16002-16005.

碳模板诱导生长Fe-N_x活性位点

Induced growth of Fe-N_x active sites using carbon templates

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]	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.
[5]	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.
[6]	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.
[7]	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.
[8]	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.
[9]	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.
[10]	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.
[11]	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.
[12]	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.
[13]	白雪, 管景奇. 过渡金属碳氮化物在电催化领域的应用: 改性和杂化[J]. 催化学报, 2022, 43(8): 2057-2090.
[14]	邱春禹, 万里洋, 王宇成, Muhammad Rauf, 洪宇浩, 袁家寅, 周志有, 孙世刚. 工况表征方法揭示燃料电池催化层中过氧化氢浓度[J]. 催化学报, 2022, 43(7): 1918-1926.
[15]	陈梦慧, 陈永婷, 杨智力, 罗进, 蔡佳琳, 容忠言, 张久俊, 陈胜利, 张世明. 错位堆叠限域和微孔缺陷固定协同生长高密度原子级Fe^II-N₄氧还原活性位点[J]. 催化学报, 2022, 43(7): 1870-1878.

碳模板诱导生长Fe-Nx活性位点

Induced growth of Fe-Nx active sites using carbon templates

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

碳模板诱导生长Fe-N_x活性位点

Induced growth of Fe-N_x active sites using carbon templates