Co基非贵金属催化剂的制备及其氧还原电催化性能
《2024年非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究》范文
《非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究》篇一非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究摘要本研究关注于一种新型的非贵金属Fe-N/C电催化剂的制备，并通过其性能进行探索分析。
利用先进的合成技术，我们成功制备了具有高氧还原性能的Fe-N/C电催化剂，并对其进行了系统的实验研究和性能分析。
此篇研究将详述此催化剂的合成方法、物理特性、氧还原反应性能以及其在电化学领域的应用前景。
一、引言随着全球能源需求的增长和环境污染的加剧，寻找高效、环保、低成本的能源转换和存储技术已成为科研领域的重要课题。
在众多技术中，电化学技术因其高效、环保的特性备受关注。
然而，其关键因素之一是寻找高效的电催化剂，特别是对于氧还原反应（ORR）的催化剂。
传统的贵金属催化剂虽然具有优异的性能，但其高昂的成本和有限的资源严重限制了其应用。
因此，非贵金属催化剂的开发成为研究的热点。
二、Fe-N/C电催化剂的制备我们的研究目标在于开发一种具有高氧还原性能的非贵金属电催化剂。
我们选择了Fe-N/C体系，采用热解法制备了这种电催化剂。
首先，通过选择适当的铁源和氮源，然后在一定温度下进行热解反应，最终得到了具有良好分散性的Fe-N/C电催化剂。
三、实验方法和步骤在实验中，我们首先选择了适当的铁源（如铁盐）和氮源（如氨气或含氮有机物）。
然后，在惰性气氛下进行热解反应，温度从室温逐步升温至所需的热解温度（例如700°C或800°C），然后维持一定时间。
我们使用了扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等技术对制得的Fe-N/C电催化剂进行了物理特性的分析。
四、物理特性和氧还原性能分析从实验结果可以看出，我们的Fe-N/C电催化剂具有良好的分散性和稳定性。
SEM图像显示，Fe-N/C颗粒均匀地分布在碳基底上，XRD分析也证实了Fe-N键的存在。
此外，我们还通过循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）等电化学方法对Fe-N/C电催化剂的氧还原性能进行了测试。
非贵金属氧还原反应催化剂的可控制备及催化应用研究
非贵金属氧还原反应催化剂的可控制备及催化应用研究制约燃料电池的广泛应用的最大瓶颈在于阴极氧还原反应催化剂催化活性不足及采用贵金属Pt催化剂带来的高额成本。
发展非贵金属氧还原反应催化剂是目前燃料电池领域最有可能突破这一瓶颈的途径。
近年来,非贵金属氧还原反应催化剂的制备和性能调控研究受到广泛关注。
尽管如此,关于非贵金属氧还原反应催化剂的研究在如何提高催化剂活性和降低催化剂成本方面依然面临很大的挑战。
本论文针对这一问题,通过系统研究催化剂前驱体的选择和优化、合成策略优化等,实现了非贵金属氧还原催化剂纳米材料的可控制备并对其催化活性予以调控。
研究内容主要可以分为以下几个部分:首先,提出一种简单、经济的方法实现制备单分散的、尺寸可控的基于Co的ZIF材料—Nano-P-ZIF-67。
该合成方法简便、产量高,因此非常容易实现Nano-P-ZIF-67的大规模制备。
本研究合成的Nano-P-ZIF-67相比于之前文献报道过的ZIF材料具有更高的比表面积。
研究发现催化剂的粒径对催化剂的活性有直接的影响,对催化剂粒径优化后,Nano-P-ZIF-67在碱性介质中具有良好的氧还原反应催化活性。
第二,在此基础之上,我们提出基于Ostwald熟化机制的热解策略,用于制备新型的高效氧还原反应催化剂。
该方法利用可降解的金属氧化物作为核心来控制和促进含N碳前驱体的石墨化,在经过加热和酸处理后,制备了N-掺杂石墨化碳中空纳米粒子。
该合成策略改善了其石墨化程度,增大了比表面积同时将非活性石墨包封的金属颗粒的生成最小化。
最后,我们从催化剂的成本入手,采用来源广泛、绿色可再生、成本低廉的生物废弃物豆渣作为原料,通过合成步骤、活化剂的量和活化温度等优化,制备了一系列非贵金属催化剂。
我们通过对上述催化剂进行系统的形貌、孔径、元素成分分析,筛选出具有相互交联的大孔径孔洞和高比表面积的BD-700-A3催化剂。
该催化剂不仅具有巨大的成本优势,而且在碱性条件下拥有显著优于商业用Pt/C催化剂的催化活性。
《2024年非贵金属Cu-N-C催化剂的制备及其电催化氧化甘油性能研究》范文
《非贵金属Cu-N-C催化剂的制备及其电催化氧化甘油性能研究》篇一非贵金属Cu-N-C催化剂的制备及其电催化氧化甘油性能研究一、引言随着环境问题日益严峻，对清洁能源的利用与环保技术的开发需求迫切。
在众多领域中，电催化技术以其高效、环保的优点被广泛关注。
非贵金属催化剂因具有低成本、高活性等优势，逐渐成为电催化领域的研究热点。
本文针对非贵金属Cu-N/C催化剂的制备及其在电催化氧化甘油中的应用进行研究，为相关领域的实际应用提供理论依据。
二、Cu-N/C催化剂的制备本部分首先阐述了Cu-N/C催化剂的合成方法和材料来源。
选用廉价、环保的材料和简单的合成工艺，旨在实现催化剂的规模化生产。
通过溶胶凝胶法与热解技术相结合，成功制备了Cu-N/C催化剂。
具体步骤如下：首先，将含铜的有机前驱体与含氮有机物混合，通过溶胶凝胶过程形成凝胶体；然后，在惰性气氛下进行热解处理，使前驱体转化为最终的催化剂。
三、催化剂的表征与性能分析采用多种现代分析手段对制备的Cu-N/C催化剂进行表征。
通过X射线衍射（XRD）分析催化剂的晶体结构；利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察催化剂的形貌和微观结构；通过X射线光电子能谱（XPS）分析催化剂表面的元素组成和化学状态。
此外，还对催化剂进行了电化学性能测试，包括循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）等。
四、电催化氧化甘油性能研究本部分主要研究Cu-N/C催化剂在电催化氧化甘油中的应用。
首先，通过CV和LSV测试了催化剂对甘油的电催化氧化性能；然后，考察了不同实验条件（如电流密度、温度等）对甘油氧化反应的影响；最后，通过对比实验，评估了Cu-N/C催化剂与其他类型催化剂的性能差异。
实验结果表明，Cu-N/C催化剂在甘油氧化反应中表现出较高的活性和稳定性。
五、结果与讨论根据实验结果，我们发现Cu-N/C催化剂在电催化氧化甘油过程中表现出优异的性能。
通过对催化剂的表征与性能分析，我们可以得出以下结论：1. 合理的制备方法使得Cu-N/C催化剂具有较高的比表面积和良好的孔结构，有利于提高电催化反应的活性；2. 催化剂中的铜和氮元素以特定的化学状态存在，有利于提高甘油的电催化氧化活性；3. 相比其他类型催化剂，Cu-N/C催化剂在甘油氧化反应中表现出更高的活性和稳定性，具有较好的应用前景。
无金属cof基oer催化剂
无金属cof基oer催化剂无金属CoF基OER催化剂引言：氧气进一步还原反应（OER）是一种重要的电化学反应，它在能源转换和储存中起着重要作用。
传统的OER催化剂通常使用贵金属或过渡金属作为活性中心，然而，这些催化剂成本高昂且稀缺。
近年来，研究人员开始关注开发低成本、高效率的非贵金属OER催化剂。
无金属CoF基OER催化剂就是其中一种备受关注的催化剂。
一、无金属CoF基OER催化剂的制备方法制备无金属CoF基OER催化剂的方法主要包括物理混合法、溶胶-凝胶法、水热法等。
其中，物理混合法是一种简单易行的方法，通过将CoF和其他组分进行机械混合得到催化剂。
溶胶-凝胶法利用溶胶和凝胶的形成过程来制备催化剂，能够实现组分均匀分散。
水热法则是利用高温高压的条件来促进反应，形成高效的催化剂。
二、无金属CoF基OER催化剂的性能优势相较于传统的贵金属或过渡金属催化剂，无金属CoF基OER催化剂具有以下性能优势：1. 低成本：无金属CoF基OER催化剂采用的是非贵金属材料，成本相对较低，可以大规模制备，降低了催化剂的制备成本。
2. 高效率：无金属CoF基OER催化剂具有较高的氧气进一步还原活性，能够有效降低电极的过电势，提高催化剂的能量转换效率。
3. 良好的稳定性：无金属CoF基OER催化剂具有优良的化学稳定性和热稳定性，能够在OER反应中长时间保持稳定的催化活性。
4. 可调控性：通过调控无金属CoF基OER催化剂的结构和组分，可以进一步优化其催化性能，实现对OER反应的精确控制。
三、无金属CoF基OER催化剂的应用前景无金属CoF基OER催化剂在能源领域具有广阔的应用前景。
首先，它可以应用于水电解制氢过程中，提高氧气的析出效率，降低制氢的能量消耗。
其次，无金属CoF基OER催化剂还可以应用于燃料电池中，提高燃料电池的电化学性能，延长电池的使用寿命。
此外，无金属CoF基OER催化剂还可以应用于电化学污水处理、电化学CO2还原等领域，实现能源的高效利用和环境的可持续发展。
《2024年非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究》范文
《非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究》篇一非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究一、引言随着清洁能源的日益需求和环境污染问题的持续关注，电化学技术成为了研究热点。
在众多电化学反应中，氧还原反应（ORR）是关键的电化学反应之一，尤其在燃料电池和金属空气电池中扮演着重要角色。
然而，传统的贵金属催化剂虽然性能优异，但成本高昂，限制了其大规模应用。
因此，开发高效、低成本的非贵金属电催化剂成为研究的重点。
本篇论文主要研究了非贵金属Fe-N/C电催化剂的制备及其氧还原性能。
二、材料与方法1. 材料准备本实验所需的主要材料包括铁源（如FeCl3）、氮源（如氨水）、碳源（如炭黑）以及其他辅助材料。
所有材料均需经过严格的筛选和预处理。
2. 电催化剂的制备采用浸渍法或化学气相沉积法等制备方法，将铁源、氮源和碳源混合，在一定的温度和气氛下进行热处理，得到Fe-N/C电催化剂。
3. 氧还原性能测试通过循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）等电化学测试方法，对制备的Fe-N/C电催化剂进行氧还原性能测试。
同时，采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等手段对催化剂的物理性质进行表征。
三、结果与讨论1. 制备条件对催化剂性能的影响我们首先探讨了制备条件对Fe-N/C电催化剂性能的影响。
实验结果表明，热处理温度、时间、气氛等因素均会影响催化剂的性能。
在一定的条件下，可以获得具有较高氧还原性能的Fe-N/C 电催化剂。
2. 催化剂的物理性质与氧还原性能的关系通过XRD和SEM等手段对制备的Fe-N/C电催化剂进行表征，我们发现催化剂的晶体结构、形貌等物理性质与其氧还原性能密切相关。
具有较高比表面积和适宜孔径分布的催化剂往往具有更好的氧还原性能。
此外，催化剂中Fe-N活性位点的存在和分布也对氧还原性能产生重要影响。
3. Fe-N/C电催化剂的氧还原性能分析通过CV和LSV等电化学测试方法，我们分析了Fe-N/C电催化剂的氧还原性能。
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《非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究》篇一非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究一、引言随着全球能源危机和环境问题的日益突出，电化学能源转换与存储技术受到了广泛关注。
其中，氧还原反应（ORR）作为燃料电池和金属空气电池等电化学设备的核心反应，其催化剂的性能直接决定了设备的性能。
传统的贵金属基催化剂如铂（Pt）具有出色的ORR活性，但其高成本和稀缺性限制了其大规模应用。
因此，开发非贵金属基的ORR催化剂，特别是Fe-N/C催化剂，成为了当前研究的热点。
本文旨在研究非贵金属Fe-N/C电催化剂的制备方法及其氧还原性能。
二、材料与方法（一）材料准备本实验所需的材料包括铁源（如硫酸亚铁）、氮源（如氨水或三聚氰胺）、碳源（如炭黑或生物质）等。
（二）催化剂制备本实验采用高温热解法制备Fe-N/C电催化剂。
具体步骤包括：将铁源、氮源和碳源混合均匀，然后进行高温热解处理，得到Fe-N/C电催化剂。
（三）性能测试采用循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）等电化学测试方法，对所制备的Fe-N/C电催化剂的氧还原性能进行测试。
三、实验结果与分析（一）Fe-N/C电催化剂的制备结果通过高温热解法成功制备了非贵金属Fe-N/C电催化剂。
通过对制得的催化剂进行XRD、SEM等表征手段，发现催化剂中存在明显的Fe-N键和良好的碳结构。
（二）氧还原性能分析对所制备的Fe-N/C电催化剂进行CV和LSV测试，发现其在碱性溶液中表现出较好的氧还原性能。
通过对比不同条件下的CV和LSV曲线，分析了铁源、氮源、碳源的配比及热解温度等因素对氧还原性能的影响。
实验结果表明，适量的铁源和氮源以及适宜的热解温度有利于提高催化剂的氧还原性能。
（三）性能对比分析将所制备的Fe-N/C电催化剂与商业Pt/C催化剂进行性能对比。
在相同条件下测试，发现Fe-N/C电催化剂在碱性溶液中的氧还原性能与商业Pt/C相当，甚至在某些条件下表现出更优异的性能。
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《非贵金属Cu-N-C催化剂的制备及其电催化氧化甘油性能研究》篇一非贵金属Cu-N-C催化剂的制备及其电催化氧化甘油性能研究一、引言随着全球对清洁能源和环境保护的日益关注，寻找替代传统贵金属催化剂的环保、高效催化剂成为了研究的热点。
其中，非贵金属催化剂以其独特的优势，如低成本、高稳定性及良好的催化活性，正逐渐在电催化领域占据重要地位。
本篇论文将主要研究非贵金属Cu-N/C催化剂的制备及其在电催化氧化甘油中的应用。
二、非贵金属Cu-N/C催化剂的制备制备非贵金属Cu-N/C催化剂的主要步骤包括：原料的选择与准备、催化剂的合成以及催化剂的后处理。
1. 原料的选择与准备首先，我们选择碳材料（如碳纳米管、石墨烯等）作为催化剂的载体，同时选择含氮前驱体（如尿素、氨水等）以及铜源（如硝酸铜等）。
这些原料的纯度和质量对最终催化剂的性能具有重要影响。
2. 催化剂的合成本实验采用一种简单且有效的湿化学法来合成Cu-N/C催化剂。
首先将碳材料与含氮前驱体混合均匀，再加入铜源溶液进行共混，然后在适当的温度下进行热处理，使铜离子在碳材料上形成均匀的分布并与氮元素形成键合。
3. 催化剂的后处理经过热处理后，我们得到初步合成的Cu-N/C催化剂。
为了进一步提高其性能，我们还需要对催化剂进行一些后处理，如酸洗、高温煅烧等。
这些后处理步骤能够去除杂质、提高催化剂的比表面积和孔隙度，从而提高其电催化性能。
三、电催化氧化甘油的性能研究我们通过一系列实验来研究非贵金属Cu-N/C催化剂在电催化氧化甘油中的应用。
1. 实验方法与设备我们使用循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）等电化学方法对催化剂的性能进行评估。
同时，我们还使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等设备对催化剂的形貌和结构进行观察和分析。
2. 实验结果与分析通过CV和LSV等电化学方法，我们发现非贵金属Cu-N/C 催化剂在电催化氧化甘油中表现出良好的性能。
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《非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究》篇一非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究一、引言随着全球能源危机和环境问题的日益突出，发展可持续和环保的能源转换技术成为了研究的热点。
其中，非贵金属电催化剂的研发因其低廉的成本和良好的性能，在燃料电池、金属空气电池等能源转换领域中具有巨大的应用潜力。
近年来，非贵金属Fe-N/C电催化剂以其出色的氧还原性能吸引了广泛的关注。
本文将探讨非贵金属Fe-N/C电催化剂的制备方法，以及其氧还原性能的详细研究。
二、Fe-N/C电催化剂的制备Fe-N/C电催化剂的制备主要采用化学气相沉积法、高温热解法、溶胶凝胶法等方法。
本文采用高温热解法制备非贵金属Fe-N/C电催化剂。
首先，通过合成含铁（Fe）和氮（N）的前驱体溶液，将该溶液与碳源（如葡萄糖）混合，然后在高温下进行热解处理。
在热解过程中，铁离子和氮源与碳源相互作用，生成含Fe-N结构的碳材料。
三、氧还原性能研究1. 实验方法为了研究Fe-N/C电催化剂的氧还原性能，我们采用了循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）等电化学测试方法。
首先，将制备的电催化剂涂覆在旋转圆盘电极上，然后将其置于电解液中，通过施加电压和电流来观察其氧还原反应过程。
2. 实验结果与讨论通过CV和LSV测试，我们发现Fe-N/C电催化剂在氧还原反应中表现出优异的性能。
在一定的电压范围内，该电催化剂的电流密度明显高于其他非贵金属电催化剂。
此外，我们还发现Fe-N/C电催化剂的氧还原反应具有较高的反应动力学和良好的稳定性。
这主要归因于其独特的结构特点，即Fe-N结构与碳基底之间的相互作用，使得电子在反应过程中能够快速传递。
四、结论本文成功制备了非贵金属Fe-N/C电催化剂，并对其氧还原性能进行了深入研究。
实验结果表明，该电催化剂在氧还原反应中表现出优异的性能，具有较高的电流密度、良好的反应动力学和稳定性。
这为非贵金属电催化剂在能源转换领域的应用提供了新的可能性。
《2024年非贵金属Cu-N-C催化剂的制备及其电催化氧化甘油性能研究》范文
《非贵金属Cu-N-C催化剂的制备及其电催化氧化甘油性能研究》篇一非贵金属Cu-N-C催化剂的制备及其电催化氧化甘油性能研究一、引言近年来，随着全球对环境问题的高度关注，电催化反应成为科研工作者探索新型绿色化学能源技术的重要途径。
特别是，甘油电氧化是一种重要且有价值的反应，可以制备多种有机物。
而其电催化反应的核心部分就是催化剂，尤其对于非贵金属催化剂的研发与利用具有非常重要的价值。
Cu-N/C非贵金属催化剂由于其在碱性介质中具有良好的电催化性能和较低的成本，引起了广泛关注。
本文将详细介绍非贵金属Cu-N/C催化剂的制备方法及其在电催化氧化甘油中的性能研究。
二、Cu-N/C催化剂的制备非贵金属Cu-N/C催化剂的制备采用化学法进行制备。
1. 材料选择需要的主要原料有碳源、含氮试剂（如三聚氰胺等）、铜盐（如硝酸铜）等。
2. 制备过程首先，将碳源和含氮试剂进行混合、搅拌、研磨等操作，使两者充分混合；然后加入铜盐，再次搅拌使其均匀混合；最后在一定的温度和压力下进行热处理，得到Cu-N/C催化剂。
三、催化剂表征与性能测试对于Cu-N/C催化剂的性能评估，需要对其结构和组成进行详细分析。
同时，对电催化氧化甘油反应的活性及稳定性进行测试。
1. 催化剂表征采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对催化剂的形态、结构、元素分布等进行表征。
2. 性能测试通过循环伏安法（CV）和计时电流法等电化学方法对催化剂的电催化氧化甘油性能进行测试。
其中，通过CV曲线可以了解催化剂的电位窗口和反应活性；通过计时电流法可以了解催化剂的稳定性和反应速率。
四、实验结果与讨论1. 实验结果通过XRD、SEM、TEM等手段对Cu-N/C催化剂进行了详细分析，得到其结构和形态特征；通过电化学方法对电催化氧化甘油性能进行了测试，得到相应的电位窗口、电流密度等数据。
2. 结果讨论根据实验结果，我们可以发现Cu-N/C催化剂在电催化氧化甘油中表现出良好的性能。
碳基非贵金属催化剂的制备及其催化性能研究进展
催化剂 相 比,其 具 有 比 表 面 积 大、来 源 广 泛、价 格 低 廉、环 境 友 好、耐 腐 蚀 等 独 特 优 点。 结 合 近 年 来 国 内 外 碳 基 非 贵
金属催化剂研究进展,综述了石墨烯基非金 属 催 化 剂、石 墨 烯 基 非 贵 金 属 氧 化 物 催 化 剂、碳 材 料 分 散 非 贵 金 属 单 原
子催化剂的合成方法及研究现状。
关键词: 非贵金属; 碳基催化剂; 多相催化剂; 石墨烯
中 图 分 类 号 :O643.3
文 献 标 志 码 :A
doi:10.3969/ji.ssn.1672���6���952.2018.02.001
ResearchProgressinPreparationandCatalyticPerformance
金属代替贵金属作为实现重要能源和化工生产高效 转化的催化剂是当今材料科学和催化领域研究的热 点 。 [5]
纳米碳材料及其复合材料是一类重要的新型材 料 ,近 年 来 在 精 细 化 工 、烃 类 转 化 、燃 料 电 池 、太 阳 能 转 化 等 多 个 领 域 里 表 现 出 了 优 异 的 催 化 性 能 ,在 替 代贵金属催化方面 具 有 巨 大 的 发 展 潜 力,逐 渐 成 为 非贵金属催化领域的前沿方向之一 。 [6] 与贵金属 催 化剂相比,纳米碳材 料 及 其 复 合 材 料 作 为 催 化 剂 具 备成本低廉、来源 广 泛、无 重 金 属 污 染、环 境 友 好 等 优点,已经应用于催化多种分子变换反应 。 [7] 因 此, 纳米碳材料基非贵金属催化剂的开发具有重要的学 术 价 值 ,并 有 望 推 动 传 统 化 学 工 业 的 转 型 升 级 ,取 得 可观的社会效益和经济效益。
碳基无金属电催化剂及其在氧还原与氧析出中的应用
碳基无金属电催化剂及其在氧还原与氧析出中的应用
钟雨晴
【期刊名称】《化工技术与开发》
【年(卷),期】2024(53)6
【摘要】2009年,N掺杂纳米管成为第1个应用于氧还原反应(ORR)的C-MFECs。
除了ORR之外,C-MFECs对析氧反应(OER)等电催化现象也具有积极作用,并应用
于许多领域,包括金属与空气燃料电池、水循环利用、可再生燃料电池、太阳能电池、燃料生产和化学药品以及清洁水等。
化学反应通过存在的原子或结构缺陷(如
原子或边角的缺口)来改变电子配置和(或)调校光线,从而影响光学特征。
有些C-MFECs的性能甚至比贵金属、加工金属和/或混合使用的贵金属都要好。
要将C-MFEC应用于实际研究,还需要展开更多的研究。
本文系统论述了过去5年C-MFECs的最新研究成果,探讨了C-MFECs应用于能量转化与存储领域的可能性。
【总页数】5页(P57-61)
【作者】钟雨晴
【作者单位】温州大学
【正文语种】中文
【中图分类】TQ426.7
【相关文献】
1.碳基无金属氧还原电催化剂研究的新进展
2.磷氮双掺过渡金属碳基催化剂制备及其电化学氧还原的应用研究
3.金属有机骨架(ZIF-8@ZIF-67)衍生的Co/N共掺杂
碳基催化剂在氧还原反应(ORR)中的应用4.金属/非金属元素掺杂提升原子级分散碳基催化剂的氧还原性能5.杂原子掺杂的碳基无金属电催化剂对氧还原和氧析出反应的性能研究
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《2024年非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究》范文
《非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究》篇一非贵金属Fe-N-C电催化剂的制备及其氧还原性能研究一、引言随着清洁能源技术的发展和全球能源需求的转变，非贵金属电催化剂成为了目前的研究热点。
尤其是Fe-N/C类电催化剂，以其良好的氧还原性能、低廉的成本和环保的属性，成为了替代传统贵金属催化剂的重要选择。
本篇论文将探讨非贵金属Fe-N/C电催化剂的制备过程及其在氧还原反应（ORR）中的性能研究。
二、Fe-N/C电催化剂的制备1. 材料选择本实验选择廉价的铁源（如铁盐）和氮源（如氨水）以及碳载体（如活性炭）为主要原料。
此外，还包括了如聚合剂、分散剂等辅助材料。
2. 制备方法采用简单的湿化学法，包括溶液混合、搅拌、热处理和后处理等步骤，得到前驱体，随后经过碳化、活化处理得到最终的产品Fe-N/C电催化剂。
三、催化剂的结构和性能表征利用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等技术对Fe-N/C电催化剂的形貌、结构和元素组成进行表征。
同时，通过循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）等电化学测试手段，评估其氧还原性能。
四、氧还原性能研究1. 氧还原反应（ORR）的动力学研究通过对比不同制备条件下的Fe-N/C电催化剂的ORR性能，探讨了催化剂的结构和性能关系，发现了影响氧还原性能的关键因素。
如氮的掺杂程度、铁元素的分布情况、催化剂的孔隙结构等。
2. 稳定性测试通过长时间的恒电流充放电测试和循环伏安扫描，评估了Fe-N/C电催化剂的稳定性。
结果表明，该类电催化剂具有良好的稳定性，可满足实际应用的需求。
五、结论本研究成功制备了非贵金属Fe-N/C电催化剂，并对其结构和氧还原性能进行了深入研究。
结果表明，该类电催化剂具有良好的氧还原性能和稳定性，是一种有潜力的替代传统贵金属催化剂的电催化剂。
同时，我们还发现了影响氧还原性能的关键因素，为今后的研究和制备提供了有价值的参考。
Co和Fe基MOFs及其衍生物的制备与电催化性能研究共3篇
Co和Fe基MOFs及其衍生物的制备与电催化性能研究共3篇Co和Fe基MOFs及其衍生物的制备与电催化性能研究1随着能源危机的日渐严重，人类对新能源的需求变得越来越迫切。
在这样的背景下，燃料电池受到了越来越广泛的关注。
然而，燃料电池中的催化剂（如白金）成本昂贵，限制了其大规模商业化的发展。
因此，寻找符合能源转换需求、相对廉价的新型电催化剂的研究成为了各国研究的热点之一。
金属有机框架（MOFs）近年来因其微孔结构、大比表面积和可调控性等优势，成为一种备受关注的类晶体材料。
尽管最初MOFs是被当做气体分离和储存材料来研究的，但是随着其催化应用研究的深入，越来越多的 MOFs 发现也具有出色的电催化性能。
Co和Fe基MOFs因其具有廉价和易得性等优点，在电催化领域中备受关注。
近年来，一些研究已经证明了它们具有出色的电催化活性和选择性，具有极大的应用前景。
例如，Co基MOFs 可以在某些夹层中紧密容纳O2、H2O2和其他反应中间体，使它们能够参与多相反应。
另一方面，Fe基 MOFs 则被证明对ORR（氧还原反应）表现出高效的电催化活性。
MOFs独特的微孔结构和可控的化学组成，为这些材料的应用提供了巨大的优势。
在MOFs电催化领域的研究中，基于相关性质的制备和改性是非常重要的。
例如，通过改变MOFs的结构和化学成分，有可能提高其电催化活性和选择性。
实现 MOFs 电催化应用的制备过程是复杂的，一般包括晶化生长、N2吸附等测量技术、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等表征技术。
通过综合运用这些技术手段，研究者可以有效地评估材料的电催化活性和性能。
除了最初的 MOFs 材料以外，派生体的研究也备受关注。
因为派生体中的原子可能被置换或添加。
材料的表面化学性质得到改善，因此电催化活性和选择性性能得到提高。
例如，研究者通过置换Fe中的某些原子，在非常低的 Overpotential 条件下成功地制备了高活性和稳定性的电催化剂。
Co-MOF衍生Co-N-C催化剂的制备及其氧还原性能研究
文章编号:1001-9731(2021)02-02166-07C o-MO F衍生C o-N-C催化剂的制备及其氧还原性能研究*袁会芳,王晨旭,彭邦华,王刚,代斌(石河子大学化学化学化工学院新疆兵团化工绿色过程重点实验室,新疆石河子832003)摘要:金属-氮-碳(M-N-C)化合物作为非贵金属催化剂具有优异的氧还原(O R R)性能,在燃料电池和金属-空气电池等电化学能源转化方面展现了广阔的应用前景㊂开发出能够与贵金属铂催化剂相媲美的高效且廉价的催化剂以解决O R R缓慢动力学问题具有重要意义㊂选用金属有机骨架材料Z I F-67作为碳源和氮源,其中,二价钴离子㊁2-甲基咪唑和高分子聚合物聚乙烯亚胺(P E I)在室温下快速原位合成催化剂,P E I不仅能避免Z I F-67的团聚还提高了催化剂的氮含量㊂所制备出的纳米材料C o-N-C(Z I F-67+P E I)催化剂在碱性电解质中拥有优于商业P t/C的O R R性能及稳定性和抗甲醇性能㊂关键词:金属有机骨架化合物;氧还原反应;非贵金属催化剂;电催化剂中图分类号: T B332文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2021.02.0220引言石油消费带来的能源危机和环境污染一直是一个巨大的挑战㊂为了缓解日益严重的能源与环境问题,燃料电池作为一种将化学能转换为电能的设备,具有密度高㊁对环境友好的特点被认为是可以替代化石能源的理想选择㊂众所周知,缓慢的阴极氧还原反应(O R R)是燃料电池的关键反应[1-3]㊂经过广泛的研究证实,铂基材料催化剂是催化O R R最有效的催化剂㊂但不可避免的是,由于铂基材料存在着地壳稀有㊁成本高㊁稳定性差㊁不耐甲醇等问题,严重制约了燃料电池的大规模应用[4-6]㊂因此,寻找一种高活性㊁稳定性和低成本的O R R催化剂来代替铂基催化剂成为了这一领域的研究热点㊂近年来,过渡金属化合物㊁氮掺杂金属碳材料(M-N-C)成为了能够催化O R R的高效催化剂㊂其中,M 和N原子可以诱导电荷不均匀的分布,从而提高O2的吸附和还原,进一步提高氧还原的催化性能[7-9]㊂在繁多的过渡金属中,金属钴氮掺杂碳(C o-N-C)催化剂被认为是最有前途的高O R R活性的无P t/C催化剂㊂迄今为止,已经有多种多样的金属钴基催化剂被应用于催化领域㊂金属有机骨架(MO F)因为其特殊的结构被选作为制备C o-N-C催化剂的前驱体㊂这是因为在MO F材料中,含N的有机配体不仅充当C来源又可以充当N来源,经高温碳化后,可以形成M㊁N掺杂的碳材料[2,10-11]㊂而C o离子则转化为C o氧化物,C o-N x物质或者金属C o颗粒㊂尽管已经对各种钴基MO F前驱体的子系(Z I F-67)及其衍生的C o-N-C催化剂进行了广泛的研究,但不幸的是,高温下热解过程中Z I F-67不可避免的聚集会导致C o-N-C催化剂的物理性能不理想㊂例如随着热解温度的升高导致MO F 骨架发生坍塌使得材料的比表面积,孔体积和孔径产生变化对材料的电催化O R R性能产生负面影响[12-14]㊂因此,迫切需要寻求一种有效的策略来避免Z I F-67材料发生团聚,使得Z I F-67衍生的C o-N-C催化剂在高温处理过程中仍能保持较好的结果和令人满意的物理性能,这对于改善催化剂的O R R性能具有很大的帮助㊂在本章中,我们报道了一种有效而简便的方法用来制备O R R催化剂㊂通过直接高温热解Z I F-67和高分子聚合物聚乙烯亚胺(P E I)来制备C o-N-C(Z I F-67 +P E I)㊂值得注意的是,P E I作为阻隔材料可以有效地避免Z I F-67纳米粒子在高温处理过程中的聚集,从而使衍生的C o-N-C(Z I F-67+P E I)催化剂具有更好的多孔结构[5,15]㊂更重要的是,这些特性使得与反应相关的分子可以很容易地扩散到活性位点,提高了催化活性㊂同时,C o-N和C o金属的协同效应也有助于提高催化剂的O R R性能㊂因此,C o-N-C(Z I F-67+P E I)材料作为能提高O R R活性的高效催化剂有希望可以取代商用P t/C进行广泛的应用㊂661202021年第2期(52)卷*基金项目:国家自然科学基金资助项目(21865025,51962032)收到初稿日期:2020-08-11收到修改稿日期:2020-09-25通讯作者:代斌,E-m a i l:d b_t e a@s h z u.e d u.c n作者简介:袁会芳(1994 ),女,河南周口人,硕士研究生,师承代斌教授,从事电化学催化研究㊂1实验1.1催化剂制备C o-N-C(Z I F-67+P E I)的合成:首先将0.736g C o(N O3)2㊃6H2O溶于甲醇(50m L)中,形成均相溶液㊂然后,在强磁搅拌下,将0.306g聚乙烯亚胺和1.624g二甲基咪唑分别溶解在50m L甲醇中形成另一种均相溶液再与C o(N O3)2㊃6H2O溶液相混合㊂然后,将得到的沉淀离心,用甲醇洗涤,并在真空干燥箱内干燥24h㊂干燥后的样品在900ħ的管式炉中氩气气氛下以5ħ/m i n的升温速度处理2h㊂自然冷却在达到室温后,用0.5M稀硫酸处理得到的样品,用去离子水洗涤,直到p H=7,然后在真空干燥箱内80ħ干燥24h,得到的最终样品命名为C o-N-C(Z I F-67+ P E I)㊂作为对比,以纯Z I F-67为原料,用相同的方法制备了C o-N-C(Z I F-67)㊂1.2物化性能表征样品的T E M和H R T E M图像分别在J E M-2100 (J E O L,T o k y o,J a p a n)和T e c n a iG2F20(F E I,H i l l s-b o r o,O R)显微镜上获得㊂用日立S U8010显微镜(日立,东京,日本)进行了扫描电镜测试㊂在具有C u K 辐射(=1.5406Å,B r u k e r,K a r l s r u h e,G e r m a n y)的B r u k e rD8A d v a n c eX射线衍射仪上进行X R D测试㊂使用AM I C U S/E S C A3400设备(K r a t o s,M a n c h e s-t e r,U K)进行X P S数据收集,采用M g K(12k v, 20m a)辐射,以284.8e V的C1s作为参考㊂采用M i-c r o m e r i t i c sA S A P2020N2吸附/脱附仪(M i c r o m e r i t-i c s,A t l a n t a,G A,U S A)进行B a r r e t t-J o y n e r-H a l e n d a(B J H)孔隙结构分析,测定B E T比表面积(S S A)㊂1.3物化性能表征本文中的测试均采用三电极测试体系(辅助电极为石墨碳棒电极㊁参比电极为A g/A g C l以及载有催化剂的工作电极),在电化学工作站上对制备的氧还原催化剂材料进行了测试㊂将涂有催化剂的玻碳电极固定在旋转圆盘电极(R D E)上,电解质为0.1M K OH㊂首先采用循环伏安法测得循环伏安曲线(C V),分别在氧气和氮气饱和的电解质溶液中进行测试,扫速为10m V㊃s-1㊂线性扫描曲线(L S V)在氧气饱和的电解质中,以400~2025r p m扫速为10m V㊃s-1的条件下测试了O R R的L S V曲线㊂催化剂的电子转移机理可以由不同转速下的L S V曲线和与其对应的K-L 曲线得出,O R R电子转移数通过电子转移机理进行计算,计算公式:1/J=1/J k+1/(Bω^1/2)(1)B=0.2n F C0D2/30ν-1/6(2)其中J代表测量的电流密度,J K表示动态电流密度,n表示电子转移数,F为法拉第常数(96485C/ m o l),C0代表溶解的氧气浓度1.2ˑ10-3m o l/L,D0表示氧气扩散系数1.9ˑ10-5c m2/s,ν表示电解质运动黏度1.1ˑ10-2c m2/s,ω=2Nπ其中N表示线性速度㊂此外,在氧还原的试验过程中,所有测量的电位转移到可逆氢电极中按照下面的公式进行:V R H E=V A g/A g C l+0.197+0.059p H(3)催化剂的稳定性和抗甲醇性能通过R D E进行检验,使用计时电流法,在400或其他转速条件下运行一段时间后,得到I-t曲线,将制备的催化剂与商业P t/C 催化剂进行对比观察电流的衰减情况来评价其稳定的好坏㊂抗甲醇测试同样在400r p m的转速下得到I-t 曲线再进行判断,加入3M甲醇溶液后,对该催化剂的抗甲醇性能由电流的变化情况进行评价㊂2结果与讨论2.1形貌特征从图1a和图1b的T E M图像可以看出,得到的C o-N-C(Z I F-67)和C o-N-C(Z I F-67+P E I)材料为非晶形态㊂而C o-N-C(Z I F-67+P E I)的层状结构较C o-N-C(Z I F-67+P E I)薄,说明P E I的引入会影响C o-N-C(Z I F-67+P E I)的形态㊂特别是C o-N-C(Z I F-67+ P E I)可以接触到粒子表面,作为一个连续的电子路径来改善材料的稳定性[16-17]㊂从图1c中可以看出,H R-T E M图像中保留了清晰的碳颗粒结构㊂显然,厚度为2.23n m的碳壳层保护了这些C o-N结构防止其发生团聚,提高了O R R性能㊂图1c的条纹间距为0.227n m,与C o2N晶体相位(020)平面相对应,证实了C o-N-C(Z I F-67+P E I)中存在C o2N结构[7,18-19]㊂用氮吸附-脱附等温线测定C o-N-C(Z I F-67)和C o-N-C(Z I F-67+P E I)的孔径分布,由于P E I的引入避免了Z I F-67纳米颗粒的聚集,C o-N-C(Z I F-67+ P E I)的比表面积(S S A)(403.68m2/g)和孔径(7.13n m)均高于C o-N-C(Z I F-67)(139.47m2/g和5.92n m)㊂C o-N-C(Z I F-67+P E I)较高的S S A和孔径有利于活性位点的暴露,有利于电解质和电子的运输,可以显著提高O R R性能㊂[19]从图2a可以看出, C o-N-C(Z I F-67+P E I)具有明显的典型的I V型曲线,具有氮吸附-解吸循环,证实了样品中存在微孔和中孔结构㊂而C o-N-C(Z I F-67)中未见氮吸附-解吸环,因此具有微孔结构,这些结果与孔径分布一致(图2b)㊂微孔可以提供更活跃和更容易接近的催化中心,从而促进更快的质量和电子转移过程,而中孔和大孔同时督导O R R流程中的迅速传质㊂因此,C o-N-C(Z I F-67 +P E I)展现出出色的O R R活性㊂76120袁会芳等:C o-MO F衍生C o-N-C催化剂的制备及其氧还原性能研究图1 (a ,b )透射电镜(T E M )图像和(c )C o -N -C (Z I F -67+P E I )的H R T E M 图像;(d )X 射线衍射(X R D )图谱F i g 1T E Mi m a g e s o f C o -N -C (Z I F -67)a n dC o -N -C (Z I F -67+P E I ),H R T E Mi m a ge of C o -N -C (Z I F -67+P E I )a n d t h e i rX R D p a t t e rn图2 (a )N 2吸附-脱附等温线和(b )C o -N -C (Z I F -67)和C o -N -C (Z I F -67+P E I )的孔径分布F i g 2N 2ad s o r p t i o n -de s o r p t i o n i s o t h e r m s a n d p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n s of C o -N -C (Z I F -67)a n dC o -N -C (Z I F -67+P E I )2.2 结构特征X R D 测试结果如图1d 所示,C o -N -C (Z I F -67+P E I )和C o -N -C (Z I F -67)材料在23ʎ和43.3ʎ时分别显现了(002)和(100)的典型晶面衍射峰,说明这两个样品的非晶碳与T E M 结果一致[16]㊂然而,由于C o 含量相对较少,并未测试到明显的C o 物种峰值㊂为了进一步研究测试C o -N -C (Z I F -67+P E I)构型表面的元素含量和种类,我们对C o -N -C (Z I F -67+P E I )材料进行了光电子能谱(X P S )分析㊂图3a 证实C o -N -C (Z I F -67)和C o -N -C (Z I F -67+P E I)均由C ㊁N ㊁O 和C o 组成㊂而C o -N -C (Z I F -67+P E I)的N 含量(2.65%)明显高于C o -N -C (Z I F -67)的氮含量2.18%(表1),这是因为P E I 的加入引入了额外的N 源,提高了材料的整体氮含量㊂表1 用X 射线光电子能谱(X P S)测定样品的原子含量T a b l e1A t o m i cc o n t e n t so ft h es a m p l e sb y X -r a yp h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y (X P S )样品原子含量/%CNOC oC o -N -C (Z I F -67)89.152.187.780.88C o -N -C (Z I F -67+P E I)92.922.654.180.25861202021年第2期(52)卷图3 (a )分别为C o -N -C (Z I F -67)和C o -N -C (Z I F 67+P E I )的高分辨x 射线光电子能谱(X P S )㊁(b )C1s 谱㊁(c )N1s 谱㊁(d )C o 2p 谱F i g 3H i g h -r e s o l u t i o nX P S s p e c t r a ,C1s s p e c t r a ,N1s s p e c t r a a n dC o 2p s pe c t r a of C o -N -C (Z I F -67)a n dC o -N -C (Z I F 67+P E I) 由图3b 可知,C o -N -C (Z I F -67)和C o -N -C (Z I F -67+P E I )催化剂中碳的主要形态为C=N (285.7e V )㊂从图3c 可以看出,N 元素主要以吡啶氮(P yr i d i -n i cN ,399.0e V )㊁吡咯氮(p y r r o l i cN ,401.7e V )和氧化氮(O x i d i cN ,406.1e V )的形式存在㊂虽然哪种类型的氮在催化作用中起主导作用仍有争论,但是人们一致认为O R R 中的主要活性位点可能是吡啶和石墨态N ,可以提高材料的O R R 性能[1,20]㊂图3d 为催化剂的C o 2p 峰㊂分析表明,C o (Ⅱ)(781.2e V )是C o -N -C (Z I F -67+P E I )中C o (Ⅱ)(781.2e V )的主要结构形式,C o -N -C (Z I F -67)主要存在C o (779.6e V )和C o (Ⅲ)(782.7e V )[9,21]㊂图4 (a )C o -N -C (Z I F -67+P E I )的C oK -e d geX A N E S 谱;(b )样品的E X A F S 光谱F i g 4C oK -e d g eX A N E Ss p e c t r ao fC o -N -C (Z I F -67+P E I )a n dE X A F Ss p e c t r a o f s a m pl e 利用C o -K -e d geX 射线吸收光谱(X A S )进一步研究了C o -N -C (Z I F -67+P E I )样品中钴的局部环境㊂如图4a所示的X 射线吸收近边结构(X A N E S)光谱㊂边缘能量(E 0)位于7717e V 处,表示在原始框架中存在二价C o㊂此外,配体与金属之间的电荷转移相互作用使局域C o 1s 激发4p 轨道,导致7715~7720e V 处吸收边缘上升㊂为了更进一步检验C o 位点的配位环境,进行扩展X 射线吸收精细结构(E X A F S )试验(图4b)㊂在R 空间中,C o -N -C (Z I F -67+P E I )样品在c a .1.4Å处存在一个峰值,对应C o -N 配位㊂在c a .2.2Å处,C o -N -C (Z I F -67+P E I )呈尖峰,与C o 箔中的C o -C o 键一致(图4b)㊂这种催化活性基团的存在,加上高B E T 表面积㊁分级多孔结构和导电性等有利的结构特征,都有望使C o -N -C(Z I F -67+P E I)催化剂表现出有效的电催化性能㊂96120袁会芳等:C o -MO F 衍生C o -N -C 催化剂的制备及其氧还原性能研究图5 C o-N-C(Z I F-67+P E I)的E D S元素,分布:C,C o,N,OF i g5E D Se l e m e n td i s t r i b u t i o no fC o-N-C(Z I F-67+P E I):C,C o,N,O为了方便进一步的分析C o-N-C(Z I F-67+P E I)材料中各元素的分布情况,我们进行了E D S分布检测,在图5中可以看出,C,C o,N,O等元素均匀的分布在C o-N-C(Z I F-67+P E I)材料㊁说明P E I的加入有效的避免了Z I F-67的聚集㊂2.3 O R R性能先采用循环伏安法(C V)测验了O R R在N2和O2饱和的0.1M K O H溶液中的活性㊂在N2饱和状态的电解质曲线上并未出现显著的还原峰,但在O2条件下出现了明显的还原峰,说明C o-N-C(Z I F-67+ P E I)具有显著的O R R电催化活性(图6a)㊂采用线性扫描伏安法(L S V)测试了C o-N-C(Z I F-67)㊁C o-N-C图6(a)扫描50m V/s时C o-N-C(Z I F-67+P E I)循环伏安(C V)曲线;(b)C o-N-C(Z I F-67+P E I)等样品扫描速度为10m V/s,转速为1600r p m的L S V曲线;(c)C o-N-C(Z I F-67+P E I)在不同转速㊁扫描速率为10 m v/s时的L S V曲线;(d)不同电位对应的K-L图;(e)C o-N-C(Z I F-67+P E I)和20%P t/C在电解质中的长期稳定性试验;(f)抗甲醇(3M)试验F i g6(a)T h ec y c l i cv o l t a mm e t r y(C V)c u r v e so fC o-N-C(Z I F-67+P E I)a tas c a no f50m V/s;(b)L S Vc u r v e s o fC o-N-C(Z I F-67+P E I)a n do t h e r s a m p l e s a t as c a nr a t eo f10m V/sa n da ne l e c t r ode r o t a t i o nr a t e o f1600r p m;(c)L S Vc u r v e s o f C o-N-C(Z I F-67+P E I)a t v a r i o u s r o t a t i o n r a t e s a n d a s c a n r a t e o f10 m V/s;(d)c o r r e s p o n d i n g K-L p l o t s a t d i f f e r e n t p o t e n t i a l s;(e)l o n g-t e r ms t a b i l i t y t e s t o f C o-N-C(Z I F-67 +P E I)a n d20%P t/C i ns o l u t i o n;(f)r e s i s t a n c e t oM e t h a n o l(3M)t e s t071202021年第2期(52)卷(Z I F-67+P E I)和商用20%P t/C的O R R性能,结果如图6c所示㊂C o-N-C(Z I F-67+P E I)较C o-N-C (Z I F-67)(0.88V R H E)和商用20%P t/C(0.91V R H E)有较高的O R R催化性能,其中,C o-N-C(Z I F-67+ P E I)O R R起始电位为0.93V R H E㊂C o-N-C(Z I F-67+ P E I)的高活性主要是由于添加了杂原子㊁高的比表面积和空隙比,供给了较多的活性位点㊂研究测试了C o-N-C(Z I F-67+P E I)的电子转移数㊂图6b中展示了在不同速度下L S V曲线与对应的K-L线(图4d)具有良好的线性关系㊂图6d中可以看出,C o-N-C(Z I F-67+P E I)的平均电子转移数为3.93,符合四电子转移的机理㊂稳定性试验如图6e所示㊂在25000s后, C o-N-C(Z I F-67+P E I)保留了其初始值的89.4%,而商用20%P t/C催化剂活性下降到大约为44.6%㊂因此可以看出,C o-N-C(Z I F-67+P E I)的稳定性优于P t/C㊂为了研究其对甲醇的耐受性,在含3M甲醇的电解液中测定循环伏安法(图6f)㊂当甲醇加入到0.1M K O H电解质中,C o-N-C(Z I F-67+P E I)与P t/ C的波动相比几乎可以忽略不计,这也说明了C o-N-C (Z I F-67+P E I)的耐甲醇性优于商用P t/C㊂3结论综上所述,利用Z I F-67与P E I的混合物,经高温处理制备了C o-N-C(Z I F-67+P E I)催化剂㊂此外, P E I的应用可以有效的避免Z I F-67的聚集,使得所得到的C o-N-C(Z I F-67+P E I)具有较高的比表面积㊁孔隙体积和孔径㊂C o-N-C(Z I F-67+P E I)由于与高孔结构和C o2N结构的协同作用,展现出较强的电催化O R R活性其初始电位和半波电位均优于市售20% P t/C催化剂,C o-N-C(Z I F-67+P E I)催化剂还具有优异的电化学稳定性和耐甲醇性,优异的性能主要归于高的比表面积和氮含量㊂因此,C o-N-C(Z I F-67+ P E I)催化剂很有希望取代目前商用的20%P t/C催化剂㊂从而推动了燃料电池的持续发展和商业化应用㊂参考文献:[1] Z h a oL,S u iX L,Z h o u Q Y,e t a l.1D N-d o p e dh i e r a r-c h i c a l l yp o r o u s h o l l o wc a r b o n t u b e sde r i v e df r o ma s u p r a-m o l e c u l a rt e m p l a t e a s m e t a l-f r e e e l e c t r o c a t a l y s t sf o rah i g h l y e f f i c i e n to x y g e nr e d u c t i o nr e a c t i o n[J].J M a t e rC h e m A,2018,6(15):6212-6219.[2] L i uH,W a n g M Q,C h e nZY,e t a l.D e s i g n a n d s y n t h e-s i so fC o-N-C p o r o u s c a t a l y s t d e r i v e d f r o m m e t a l o r g a n i cc o m p l e x e s f o rh i g h l y e f f e c t i v e O R R[J].D a l t o n T r a n s,2017,46(45):15646-15650.[3]H u a n g G,Y a n g L,M aX,e ta l.M e t a l-o r g a n i cf r a m e-w o r k-t e m p l a t e d p o r o u s c a r b o nf o rh i g h l y e f f i c i e n t c a t a l y-s i s:t h e c r i t i c a l r o l e o f p y r r o l i c n i t r o g e n s p e c i e s[J].C h e mE u r J,2016,22(10):3470-3477.[4] K i m C,D i o n i g iF,B e e r m a n n V,e ta l.A l l o y n a n o c a t a-l y s t s f o r t h e e l e c t r o c h e m i c a l o x y g e n r e d u c t i o n(O R R)a n d t h ed i r e c te l e c t r o c h e m i c a lc a r b o nd i o x i d er e d u 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mt h e e l e c t r o s p u n f i b e r o fb i m e t a l-o r g a n ic f r a m e w o r kf o rh i g h l y a c t i v eo x y g e nr e-d u c t i o n[J].S m a l lMe t h o d s,2018,2(12):8.P r e p a r a t i o no fC o-M O Fd e r i v e dC o-N-Cc a t a l y s t a n ds t u d y o f i t s o x y g e n r e d u c t i o n p e r f o r m a n c eY U A N H u i f a n g,WA N GC h e n x u,P E N GB a n g h u a,WA N G G a n g,D A IB i n(K e y L a b o r a t o r y f o rG r e e nP r o c e s s i n g o fC h e m i c a l E n g i n e e r i n g o fX i n j i a n g B i n g t u a n,S c h o o l o fC h e m i s t r y a n dC h e m i c a l E n g i n e e r i n g,S h i h e z iU n i v e r s i t y,S h i h e z i832003,C h i n a)A b s t r a c t:M e t a l-n i t r o g e n-c a r b o n(M-N-C)c o m p o u n d sh a v ee x c e l l e n to x y g e nr e d u c t i o n(O R R)p r o p e r t i e sa s n o n-n o b l em e t a l c a t a l y s t s,a n dh a v es h o w n w i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t s i ne l e c t r o c h e m i c a le n e r g y c o n v e r s i o n, s u c ha sm e t a l-a i r b a t t e r i e s a n d f u e l c e l l s.I t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t od e v e l o p a ne f f i c i e n t a n d i n e x p e n s i v e c a t a-l y s t c o m p a r a b l e t ot h en o b l e m e t a l p l a t i n u m c a t a l y s t t os o l v e t h eO R Rs l o w k i n e t i c s p r o b l e m.I nt h i sw o r k, m e t a l o r g a n i c s k e l e t o nm a t e r i a l Z I F-67i s s e l e c t e d a s c a r b o n s o u r c e a n d n i t r o g e n s o u r c e.A m o n g t h e m,c o b a l t d i-v a l e n t i o n,2-m e t h y l i m i d a z o l e a n d p o l y m e r p o l y e t h y l e n i m i n e(P E I)a r e u s e d t o r a p i d l y s y n t h e s i z e c a t a l y s t s i n s i-t ua t r o o mt e m p e r a t u r e.P E I n o t o n l y a v o i d s t h e a g g l o m e r a t i o n o f Z I F-67b u t a l s o i n c r e a s e s t h e n i t r o g e n c o n t e n t o f c a t a l y s t s.T h e p r e p a r e dn a n o-m a t e r i a l C o-N-C(Z I F-67+P E I)c a t a l y s t h a s b e t t e rO R R p e r f o r m a n c e,s t a b i l i t y a n dm e t h a n o l r e s i s t a n c e t h a n c o mm e r c i a l P t/C i na l k a l i n e e l e c t r o l y t e.K e y w o r d s:m e t a l o r g a n i c f r a m e w o r k c o m p o u n d s;o x y g e nr e d u c t i o nr e a c t i o n;n o n-p r e c i o u sm e t a l c a t a l y s t;e l e c t r o-c a t a l y s t271202021年第2期(52)卷。
非贵金属电催化剂的可控制备及其性能研究
非贵金属电催化剂的可控制备及其性能研究非贵金属电催化剂的可控制备及其性能研究摘要：节能环保已经成为当代科学技术的发展趋势之一。
能源的利用和消耗导致了环境的污染和资源的短缺。
因此，研究新型的非贵金属电催化剂来替代昂贵的贵金属电催化剂，已经成为当前研究的热点。
本文将综述可控制备非贵金属电催化剂的方法，并详细分析它们的性能。
我们将重点关注催化剂的电化学性质和应用性能。
我们的研究结果表明，非贵金属电催化剂在催化剂生产的成本及环保方面，具有重要的应用潜力。
关键词：非贵金属、电催化剂、可控制备、性能研究、电化学性质、应用潜力1. 绪论电化学反应是一种能量转换过程，是化学能量和电能之间的相互转换。
在这个过程中，电化学催化剂是一个关键的组成部分。
由于传统的贵金属电催化剂使用量大、成本高且资源有限，研究可替代的非贵金属电催化剂已成为当前研究的热点。
在这个领域的应用，非贵金属电催化剂因其好的性能和低廉的制备成本受到广泛关注和应用。
因此，掌握可控制备非贵金属电催化剂的方法并研究它们的性能，对推动能源转型和可持续发展具有重要的意义。
2. 可控制备非贵金属电催化剂的方法在电化学反应中，电催化剂的制备方法有着重要的影响。
可控制备的电催化剂可以更好地控制其性能和结构，从而提高其催化效率。
（1）物理法物理法可以使用物理手段来制备非贵金属电催化剂，如溶胶-凝胶法、氧化还原法和气相蒸发法等。
其中，溶胶-凝胶法是最常用的方法之一。
根据反应物的浓度和沉淀时间的不同，可以制备出不同的硫化锌、氧化锌、氧化锰等电催化剂。
这些催化剂的表面积较大，活性位点分布均匀、负载量大，从而提高了催化剂的催化效率。
（2）化学法化学法是一种通过化学反应制备电催化剂的方法，该方法可分为水热法、共沉淀法、沉淀法等。
其中，水热法可以制备出多孔氧化物，利用晶格水或/和溶剂来控制物理与化学结构、表面活性，并最终影响催化活性。
共沉淀法也是常用的制备非贵金属电催化剂的方法，能制备出大量的负载物质，使其在催化反应中具有足够的活性位点和催化活性。
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Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｎｏ ｎ — ｎ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｅ ｔ ａ ｌ ｃ ａ ｔ ａ ｌ ｙ ｓ ｔ （ Ｃ ｏ ／ Ｎ／ Ｃ ＮＴｓ ）ｗ ａ ｓ ｓ ｙ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｉ ｚ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ａ ｌ ， ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｎ ａ ｎ ｏ ｔ ｕ —
ｂ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｏ ｒ ｇ ａ ｎ ｉ ｃ ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｏ ｌ ｙ ｍｅ ｒ ｂ ｙ ｔ ｗｏ － ｓ ｔ ｅ ｐ ｐ ｙ ｒ ｏ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｔ ａ ｌ ｙ ｓ ｔ ｗａ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ — ｔ ｅ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｘ－ ｒ ａ ｙ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｘ－ Ｒａ ｙ Ｄｉ ｆ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｃ ａ ｔ ａ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ａ ｃ —
剂具有高 的氧还原活性 ， 在催化 剂表面进行 的氧还原过程 中电子 转移数 目 为３ ． ２ ， 起始 电位与 Ｐ ｔ 催化剂 的相 接近 ，
而半波 电位与 Ｐ ｔ 催化剂相 比更靠正 ， 稳定性和抗 甲醇 中毒性远超过 Ｐ ｔ 催化剂．
关键词 ： 燃料 电池；非贵金属催化剂 ； 氧还原反应 ； 碱 性；碳纳米管 中图分 类号 ： ０６ ４ ３ 文献标识码 ： Ａ
ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ ｏ ｘ ｙ ｇ ｅ ｎ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ（ ＯＲＲ） ，ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｔ ｏ ｍｅ ｔ ｈ ａ ｎ ｏ ｌ ｔ ｏ ｘ ｉ ｃ ｗｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｃｙ ｃ ｌ ｉ ｃ Ｖｏ ｌ ｔ ａ ｍｍｅ ｔ ｒ ｙ （ ＣＶ）ａ ｎ ｄ Ｒｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｄｉ ｓ ｋ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ （ ＲＤＥ）ｉ ｎ ａ ｌ ｋ ａ ｌ ｉ ｎ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗｅ ｄ
Ｐｒ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｏ ｆ ｃ ｏ ｂ ａ ｌ ｔ － ｂａ ｓ ｅ ｄ ｃ ａ ｔ ａ ｌ ｙ ｓ ｔ ｔ ｏ ｗａ ｒ ｄ ｓ ｔ ｈｅ ｏ ｘ ｙ ｇ ｅ ｎ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｏ／ Ｃ Ｎ／ Ｃ ＮＴｓ ｈ ａ ｄ ｈ ｉ ｇ ｈ ｏ ｘ ｙ ｇ ｅ ｎ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ，ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍｂ ｅ ｒ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｓ ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｄ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ
７ ３ ０ ０ ０ ０ ）
摘要 ：通过两步热分解 法， 以过 渡 金属 、 碳 纳 米 管和 有机 高 分 子 聚合 物 为前驱 体 制备 非 贵金 属 催化 剂 （ Ｃ ｏ ／ Ｎ／
Ｃ ＮＴｓ ） ， 利用电子 能谱仪 （ Ｘ Ｐ Ｓ ） 和 Ｘ射线衍 射仪（ ＸＲ Ｄ ） 对催 化剂微观 结构进行表 征， 并在碱性溶 液 中通过 循环伏 安法和旋 转圆盘技术对 电催化剂 的氧还原活性 、 稳 定性 以及 抗 甲醇 中毒性进 行研 究． 结果表 明， Ｃ ｏ ／ Ｎ／ Ｃ ＮＴｓ 催 化
第３ ９ 卷 第６ 期
２ ０ １ ３ 年
大
学
学
报
Ｖｏ １ ． ３ ９ Ｎｏ ． ６
Ｄｅ ｃ ． ２ ０ １ ３
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ￣ｏ ｆ Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
文章编号 ：１ ６ ７ ３ — ５ １ ９ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ － ０ ０ ６ ９ — ０ ６
Ｃ ｏ 基 非贵金属催化剂的制备及其氧还原 电催化性能
张俊彦 。 ，牛可兴 ， 杨保平 ，崔锦峰
（ １ ．兰州理工大学 石油化 工学院 ， 甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ； ２ ．中国科学研究 院 兰州化学 物理研究所 固体润滑 国家重点实验室 ， 甘肃 兰州
Ｚ ＨＡＮＧ Ｊ ｕ ｎ － ｙ ａ ｎ ，ＮＩ Ｕ Ｋｅ － ｘ ｉ ｎ ｇ ，ＹＡＮＧ Ｂａ ｏ － ｐ ｉ ｎ ｇ ，ＣＵＩ Ｊ ｉ ｎ － Ｉ ｅ ｎ ｇ
（ １ ． Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｐｅ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ．ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｂ ． ，ｌ ￣ｎ ｚ ｈ ｏｕ ７ ３ ０ ０ ５ ０， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ；２ ． Ｓｔ ａ ｔ ｅ Ｋｅ ｙ Ｌａ ｂ ．ｏ ｆ Ｓ ｏｌ ｉ ｄ Ｌｕ ｂ ｒ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， １ ． ａ ｎ ｚ ｈ ｏｕ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｃｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｐｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ，Ｃｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｃ ａ ｄｅ ｍｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎｃ ｅ ｓ，Ｌａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ ７ ３ ０ ０ ０ ０，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）