氮掺杂的碳材料中石墨化氮和吡啶氮对氧还原反应的催化特性（英文）

发布时间：2017-07-20 08:26

  本文关键词：氮掺杂的碳材料中石墨化氮和吡啶氮对氧还原反应的催化特性（英文）

  更多相关文章： 碳黑 高温热处理 氧还原反应 氮掺杂 碳基催化剂

【摘要】：目前,开发高效的阴极氧还原反应(ORR)电催化剂是实现燃料电池和金属-空气电池商业化发展急需完成的目标.在过去的几十年中,人们在探索廉价高效的ORR电催化剂(如N掺杂的非金属及非铂电催化剂)领域做了广泛的研究.在N掺杂的碳基ORR催化剂中,已知的N基活性位点主要分为四类,即吡啶类氮(P-N)、吡咯类氮(Py-N)、石墨化氮(G-N)和氧化类氮(O-N).尽管人们对这四种类型氮的活性位点做了大量的研究,但是它们在催化反应中起到的ORR催化作用以及催化机理和活性位点本身结构的关系仍不够明确.早期的研究中有人认为P-N或者Py-N是ORR催化活性位点,也有人认为是G-N起作用.最近也有研究表明,P-N和G-N都是ORR催化活性位点,只是在ORR中所起的催化能力不同.因此,很有必要认清这些问题.本文通过Hummer法酸性氧化一次和两次碳黑Vulcan XC-72(VXC-72)以及随后高温热处理,制备了一系列ORR催化剂VXCO-1,VXCO-2,VXCO-1(900)和VXCO-2(900),采用场发射扫描电子显微镜(SEM),N_2吸附脱附法,元素分析仪(EA),X射线光电子能谱(XPS),拉曼光谱仪(Raman),X射线衍射能谱(XRD),电化学循环伏安法和线性伏安法测试等手段研究Hummers法酸氧化和高温热处理对VXC-72形貌组成的影响,以及这些碳基中成分和其催化ORR能力的关系.SEM结果表明,Hummer法酸性氧化处理VXC-72一次和两次后可以逐层剥落其最外边的碳层结构,最终得到表面光滑的类片层状结构的碳材料(VXCO-1和VXCO-2).这种表面光滑的类片层状结构的碳材料比表面积大于处理前的VXC-72,而高温热处理之后的碳材料(VXCO-1(900)和VXCO-2(900))由于类石墨层碎片结构蒸发损失暴露出更多内部的微孔和介孔结构使比表面积增加.Raman和XRD结果表明,氧化处理使碳材料的石墨化程度增加,而高温热处理则降低了其石墨化程度.EA和XPS结果表明,Hummer法酸性氧化处理可以使在碳材料中掺入的N以石墨化的为主,高温热处理却使得石墨化氮转变为吡啶类的氮.ORR结果发现,活性的石墨化氮倾向于使ORR反应经历两电子过程,从而生成H2O2为主要产物;而吡啶类氮的活性位点更倾向于使ORR反应经过四电子过程,主产物是水.该结果有助于新型碳基氧还原催化剂的设计和分析.
【作者单位】： 中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室吉林省低碳化学能源重点实验室;中国科学院大学;
【关键词】： 碳黑 高温热处理 氧还原反应 氮掺杂 碳基催化剂
【基金】：supported by the National Basic Research Program of China(973 Program,2012CB932800,2014CB932700) the National Natural Science Foundation of China(21422307,21303180,21433003,21503212,21503211) the“Recruitment Program of Global Youth Experts”of China~~
【分类号】：O643.36;TQ127.11
【正文快照】： 1.Introduction Exploring efficient electrocatalysts for the sluggish oxygen reduction reaction(ORR)is desirable for the commercialization of fuel cells[1]and metal-air batteries[2].In the past decade,intensive studies have been done to develop low cost,h

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 黄幼菊;李伟善;黄青丹;李伟;张庆龙;蒋腊生;;氢钼青铜对铂催化氧还原反应的促进作用[J];高等学校化学学报;2007年05期

2 位辰先,田建华,梁宝臣,刘邦卫;制备条件对卟啉钴氧还原催化性能的影响[J];天津理工学院学报;2004年03期

3 孙晓然;李光跃;夏定国;张立美;李钒;;均苯四甲酰亚胺桥联的聚酞菁亚铁的氧还原反应(英文)[J];物理化学学报;2013年07期

4 左小刚;;硫酸盐还原菌对阴极氧还原反应的影响[J];新疆有色金属;2013年05期

5 徐莉;林瑞;丁蕾;戴先峰;乔锦丽;;高温处理对碳载吡啶钴催化氧还原性能的影响[J];高等学校化学学报;2012年07期

6 陆兆锷,张关永,钟天耕,方国女;酸性喷淋石墨屑电极氧还原为过氧化氢研究[J];电化学;1996年02期

7 王爱琴;任奇志;刘双艳;麻晓霞;谢先宇;;热处理温度对钴卟啉负载碳黑电催化剂的结构及氧还原性能的影响[J];高等学校化学学报;2009年04期

8 陆兆锷，锺天耕，，张关永;聚邻苯二胺膜电极上氧还原为过氧化氢[J];电化学;1995年02期

9 李秀玲,栾积毅,武冬梅,史卫国,赵玉佳;聚四氨基酞菁钴对氧还原的电催化性质[J];佳木斯大学学报(自然科学版);2004年01期

10 赵伟利;周德璧;孙新阳;谭龙辉;;碳载钴酞菁催化剂的制备及其氧还原催化性能研究[J];分子催化;2010年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 闫晶;袁晓利;袁定胜;;氮掺杂石墨化介孔炭的制备及其氧还原性能[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年

2 陈艳霞;;铂和金电极上氧还原机理与动力学研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第23分会：电催化与洁净能源电化学转化[C];2014年

3 张慧娟;李昊亮;李梅;邓成成;杨俊和;;基于烟煤的无金属氧还原催化剂研究[A];第一届全国储能科学与技术大会摘要集[C];2014年

4 杨立军;蒋雨霏;胡征;;开发在酸/碱性介质中有高氧还原催化活性的碳基纳米材料[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会：能源纳米科学与技术[C];2014年

5 于亚楠;包淑娟;;非金属(N、P、S)掺杂型石墨烯的氧还原催化性能研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第23分会：电催化与洁净能源电化学转化[C];2014年

6 杨立军;赵宇;马延文;王喜章;胡征;;碳基无金属氧还原电催化机理探究[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年

7 杨植;聂华贵;肖助兵;鲁焱琦;黄少铭;;纳米碳基非贵金属材料在电催化氧还原中的应用研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会：能源纳米科学与技术[C];2014年

8 韩传龙;王勇;;含氮中空碳半球的制备及其催化氧还原反应性能研究[A];第十四届全国青年催化学术会议会议论文集[C];2013年

9 蒋雨霏;杨立军;胡征;;硼氮共掺杂微结构对碳纳米管氧还原电催化性能的影响[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第23分会：电催化与洁净能源电化学转化[C];2014年

10 石晶晶;乔锦丽;;无金属氮硫双掺杂介孔碳氧还原催化剂的制备及其催化机理研究[A];2014中国环境科学学会学术年会（第十二章）[C];2014年

中国博士学位论文全文数据库 前9条

1 游诚航;质子交换膜燃料电池阴极高性能碳基非贵金属氧还原催化剂的制备与研究[D];华南理工大学;2015年

2 李明芳;铂电极上氧还原机理与动力学的研究[D];中国科学技术大学;2011年

3 张天然;二氧化锰氧还原催化性能的密度泛函理论计算及实验研究[D];南开大学;2014年

4 陈盛;碳基纳米笼及其复合催化剂的电催化氧还原性能研究[D];南京大学;2013年

5 卢国龙;卟啉基非贵金属仿生氧还原催化剂的制备及应用[D];吉林大学;2015年

6 曾涵;漆酶电极的制备及其催化氧还原性能研究[D];中国科学技术大学;2012年

7 汪广进;过渡金属氧化物氧还原催化机理的第一性原理研究[D];武汉理工大学;2014年

8 丁炜;氧还原非铂催化剂的研究[D];重庆大学;2014年

9 付磊;微生物燃料电池SPG和PB/PANI氧还原阴极的研究[D];大连理工大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 杨慧娟;富氮氨基酸衍生碳材料的制备及其在电催化氧还原中的应用[D];西北师范大学;2015年

2 黄慧慧;新型碳基非贵金属催化剂的可控制备及其高效氧还原性能研究[D];温州大学;2015年

3 周学梅;碳纳米管/锰氧化物复合材料的制备及氧还原电催化特性研究[D];温州大学;2012年

4 张焕;纳米多孔贵金属合金的制备及其氧还原性能研究[D];济南大学;2013年

5 潘林茂;锰氧化物氧还原催化剂的制备及性能[D];华南师范大学;2007年

6 刘正;多孔碳非贵金属复合材料在电催化氧还原和锂硫电池中的应用研究[D];温州大学;2013年

7 安宝内;氧还原催化剂的制备及电化学性能的研究[D];大连交通大学;2013年

8 张玉晖;铁/钴掺杂聚苯胺/聚吡咯热解产物制备及其氧还原电活性[D];湖南科技大学;2014年

9 杨俊;吲哚类化合物修饰碳载钴催化剂对氧还原催化作用的研究[D];浙江大学;2015年

10 张雅琼;水热掺氮与菜叶制氧还原反应催化剂的研究[D];重庆大学;2015年

本文编号：567094