负载芒刺状多元过渡金属氧化物的多孔碳材料的制备及电催化性能

发布时间：2022-01-20 18:31

　　以原位蒸发造孔工艺制备的三维多孔碳材料（PCMs）为载体,通过水热法制备负载多元过渡金属氧化物的复合电催化材料Co₂NiO₄/PCMs和Ni-MnCo₂O_4.5/PCMs。SEM形貌表征显示芒刺状的金属氧化物负载在PCMs上,芒刺直径最小为（60±10）nm,由于PCMs的存在催化剂的比表面积明显增大。复合催化剂Ni-MnCo₂O_4.5/PCMs具有优异的氧还原性能和良好的稳定性,氧还原反应中极限电流密度达到-6.65 mA/cm²,电子转移数约为3.91,在持续进行30 000 s后电流密度仍保持在95.06%左右。低成本高性能的阴极材料制备工艺将大大加快催化材料在金属空气电池中的有效应用。 

【文章来源】：功能材料. 2020,51(08)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

样品的XRD图谱:PCMs、Co3O4/PCMs和Co2NiO4/PCMs(0.15)

研究发现改变镍源的添加量Co2NiO4/PCMs的ORR性能会发生明显的变化。图3(a)为催化剂CV曲线,曲线显示不同催化材料在-0.26～0.19 V的范围内均存在明显的氧还原峰,这表明催化剂均具有显著的氧还原活性。特别是Co2NiO4/PCMs (0.15)具有最正的氧还原电位(-0.19 V),这证明此样品具有较好的氧还原活性。图3(b)为PCMs负载的Co3O4和Co2NiO4催化剂在1 600 r/min条件下的LSV曲线,扫描率为10 mV/s。各样品的ORR性能参数如图3(c)所示,适量增加镍源可提高Co3O4的催化性能,Co2NiO4(0.15)具有最佳的ORR性能,极限电流密度和E0分别为-5.58 mA·cm-2和-0.11 V,且该催化剂与Pt/C(20%质量分数)的E1/2仅差约为54 mV。随着镍源的增加,Co2NiO4/PCMs的极限电流密度逐渐减小。一方面这与金属氧化物芒刺的尺寸大小和复合催化剂的比表面积有关,芒刺的尺寸越小,比表面积越高催化剂表面暴露的活性位点就越多,使更多的O2被吸附在活性位点上随后O-O键断裂被还原,从而提高了催化剂的催化性能;另一方面,将镍源添加到四氧化三钴中会使催化材料产生更多氧还原活性位点(Ni2+)和氧空位,而适量的氧空位有利于提高催化剂的活性,从而提高催化剂的ORR性能。在碱性条件下,Co2+和Ni2+分别被电化学氧化为Co3+和Ni3+,而Co3+在较高电势下进一步被氧化为Co4+,同时使O2被还原。图3 催化剂的CV曲线(a),LSV曲线(b),ORR性能参数(c)

除了ORR活性外,催化剂长期稳定性也是评估其实用性的关键参数之一。图6为催化剂Ni-MnCo2O4.5/PCMs和Pt/C(20%质量分数)的稳定性测试,在持续运行30 000 s之后的电流密度仍保持在初始电流密度的95.06%左右,而Pt/C(20%质量分数)的电流密度的保留率仅为49.02%,表明在碱性溶液中催化剂Ni-MnCo2O4.5/PCMs表现出比商用Pt/C(20%质量分数)出色的催化稳定性。3 结 论

【参考文献】：
期刊论文
[1]生物质碳材料及其研究进展[J]. 卢清杰,周仕强,陈明鹏,张瑾,柳清菊.  功能材料. 2019(06)
[2]金属-空气电池阴极双功能催化剂研究进展[J]. 王亚,来庆学,朱军杰,梁彦瑜.  化学研究. 2017(01)



本文编号：3599314