生物质碳基材料具有可调的微观结构、丰富的表面活性中心、优良的导电和导热性能以及较大的比表面积,已经成为新能源领域的重要基础材料.然而,应用于锌-空气电池中时,碳基材料高电位下的碳腐蚀问题严重影响了电池的稳定性,因此,开发具...生物质碳基材料具有可调的微观结构、丰富的表面活性中心、优良的导电和导热性能以及较大的比表面积,已经成为新能源领域的重要基础材料.然而,应用于锌-空气电池中时,碳基材料高电位下的碳腐蚀问题严重影响了电池的稳定性,因此,开发具有低过电位的析氧反应(OER)催化剂来降低充电电压是解决该问题的关键.本课题组采用一种低温磷化策略制备了具有低OER过电位的P修饰的Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N和生物质碳复合催化剂(P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC),其具有较好的双功能氧反应活性,氧还原反应(ORR)的半波电位为0.86 V,仅需要280 m V的OER过电位就可以达到10 m Acm-2的电流密度.以P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC作为正极组装的锌-空气电池表现出低的充放电电压差和长期稳定性,在目前报道的碳基催化剂应用于锌-空气电池中具有很大优势.此外,采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱和氧气程序升温脱附(O2-TPD)等技术研究了磷化对催化剂的结构和催化性能带来的差异原因,并利用密度泛函理论(DFT)计算研究了催化剂的OER反应机制.XPS测试结果表明,P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC的P 2p轨道观察到P-M键、P-C键和P-O键,证实P在碳纳米结构中的成功修饰.Fe_(2)pXPS谱显示,P的掺入使Fe_(2)p峰向低结合能方向移动,这表明P的表面改性改变了金属Fe物种的表面电子构型.此外,拉曼光谱结果表明,P掺杂后样品的ID/IG值增加,说明结构中具有更多的缺陷,为ORR反应提供更多的催化活性位.O2-TPD结果表明,两种催化剂在低温区域(<500 ℃)表现为表面缺陷上的化学吸附氧,在高温区域(>500 ℃)表现为晶格氧释放,这说明了催化剂中都存在表面氧空位.与P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC的脱附氧物种相关的峰值温度低于Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC,证明P修饰可以使催化剂具有更好的吸附/脱附氧能力,进一步降低了吸附氧分子的活化能垒.利用DFT计算分析了OER�展开更多
以煅烧三聚氰胺后形成的C3N4材料为氮源,柠檬酸为碳源,六水合三氯化铁为铁源,通过两步法合成FeN/C催化剂,并考察该催化剂对氧还原反应的电催化能力。采用XRD、SEM、Raman、XPS等表征手段对Fe-N/C催化剂的晶体结构和元素化学状态进行综...以煅烧三聚氰胺后形成的C3N4材料为氮源,柠檬酸为碳源,六水合三氯化铁为铁源,通过两步法合成FeN/C催化剂,并考察该催化剂对氧还原反应的电催化能力。采用XRD、SEM、Raman、XPS等表征手段对Fe-N/C催化剂的晶体结构和元素化学状态进行综合评价;以CV和LSV等电化学测试手段探究Fe-N/C催化剂的氧还原电催化能力。研究结果表明,Fe-N/C催化剂具有管状形貌、较高的石墨氮含量和较佳的氧还原电催化能力。通过对电化学性能关键参数进行分析发现,Fe-N/C催化剂的起始电位是1.071 V vs. RHE,半波电位是0.911 V vs. RHE,极限电流密度是5.943 mA/cm2。展开更多
以苯胺为原料,二氧化硅球为硬模板,采用原位聚合法制备出具有多孔结构的氮掺杂碳球,然后以三氯化铁为铁源,利用沉淀法制备出球状多孔Fe-N-C复合催化剂.通过SEM、TEM、EDS等分析手段对Fe-N-C的形貌结构及组成进行了表征,使用旋转圆盘电...以苯胺为原料,二氧化硅球为硬模板,采用原位聚合法制备出具有多孔结构的氮掺杂碳球,然后以三氯化铁为铁源,利用沉淀法制备出球状多孔Fe-N-C复合催化剂.通过SEM、TEM、EDS等分析手段对Fe-N-C的形貌结构及组成进行了表征,使用旋转圆盘电极测试了其在碱性条件下对氧还原反应的催化活性.结果表明,其起始电位(0.961 V vs RHE)与半波电位(0.835 V vs RHE)与商业化Pt/C相近,经过7 000 s后,Fe-N-C仍保持93.53%的相对电流,显示出优异的氧还原催化稳定性.展开更多
文摘研制高活性的Fe/N/C氧还原催化剂对于降低燃料电池成本、实现商业化应用有重要意义.为实现Fe/N/C催化剂的理性设计,需要深入研究其活性位结构.本文发展一种研究活性位结构的新策略,以预先合成好的聚间苯二胺基Fe/N/C催化剂(Pm PDA-Fe Nx/C)为起始物,对其在1000~1500 o C高温下再次进行热处理并使其失活,通过关联催化剂热处理前后的结构变化与氧还原催化性能来揭示活性位结构.实验结果表明,随着热处理温度升高,活性中心结构被破坏,铁原子析出团聚并形成纳米颗粒,氮元素挥发损失,导致催化剂失活.XPS分析显示,低结合能含氮物种的含量与催化剂的ORR活性呈良好的正相关性,表明活性中心很可能是由吡啶N和Fe-N物种构成的.
文摘生物质碳基材料具有可调的微观结构、丰富的表面活性中心、优良的导电和导热性能以及较大的比表面积,已经成为新能源领域的重要基础材料.然而,应用于锌-空气电池中时,碳基材料高电位下的碳腐蚀问题严重影响了电池的稳定性,因此,开发具有低过电位的析氧反应(OER)催化剂来降低充电电压是解决该问题的关键.本课题组采用一种低温磷化策略制备了具有低OER过电位的P修饰的Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N和生物质碳复合催化剂(P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC),其具有较好的双功能氧反应活性,氧还原反应(ORR)的半波电位为0.86 V,仅需要280 m V的OER过电位就可以达到10 m Acm-2的电流密度.以P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC作为正极组装的锌-空气电池表现出低的充放电电压差和长期稳定性,在目前报道的碳基催化剂应用于锌-空气电池中具有很大优势.此外,采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱和氧气程序升温脱附(O2-TPD)等技术研究了磷化对催化剂的结构和催化性能带来的差异原因,并利用密度泛函理论(DFT)计算研究了催化剂的OER反应机制.XPS测试结果表明,P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC的P 2p轨道观察到P-M键、P-C键和P-O键,证实P在碳纳米结构中的成功修饰.Fe_(2)pXPS谱显示,P的掺入使Fe_(2)p峰向低结合能方向移动,这表明P的表面改性改变了金属Fe物种的表面电子构型.此外,拉曼光谱结果表明,P掺杂后样品的ID/IG值增加,说明结构中具有更多的缺陷,为ORR反应提供更多的催化活性位.O2-TPD结果表明,两种催化剂在低温区域(<500 ℃)表现为表面缺陷上的化学吸附氧,在高温区域(>500 ℃)表现为晶格氧释放,这说明了催化剂中都存在表面氧空位.与P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC的脱附氧物种相关的峰值温度低于Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC,证明P修饰可以使催化剂具有更好的吸附/脱附氧能力,进一步降低了吸附氧分子的活化能垒.利用DFT计算分析了OER�
文摘以煅烧三聚氰胺后形成的C3N4材料为氮源,柠檬酸为碳源,六水合三氯化铁为铁源,通过两步法合成FeN/C催化剂,并考察该催化剂对氧还原反应的电催化能力。采用XRD、SEM、Raman、XPS等表征手段对Fe-N/C催化剂的晶体结构和元素化学状态进行综合评价;以CV和LSV等电化学测试手段探究Fe-N/C催化剂的氧还原电催化能力。研究结果表明,Fe-N/C催化剂具有管状形貌、较高的石墨氮含量和较佳的氧还原电催化能力。通过对电化学性能关键参数进行分析发现,Fe-N/C催化剂的起始电位是1.071 V vs. RHE,半波电位是0.911 V vs. RHE,极限电流密度是5.943 mA/cm2。
文摘以苯胺为原料,二氧化硅球为硬模板,采用原位聚合法制备出具有多孔结构的氮掺杂碳球,然后以三氯化铁为铁源,利用沉淀法制备出球状多孔Fe-N-C复合催化剂.通过SEM、TEM、EDS等分析手段对Fe-N-C的形貌结构及组成进行了表征,使用旋转圆盘电极测试了其在碱性条件下对氧还原反应的催化活性.结果表明,其起始电位(0.961 V vs RHE)与半波电位(0.835 V vs RHE)与商业化Pt/C相近,经过7 000 s后,Fe-N-C仍保持93.53%的相对电流,显示出优异的氧还原催化稳定性.
