高分散钴氮共掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂

周扬 程庆庆 黄庆红 邹志青 严六明 杨辉

引用本文: 周扬,  程庆庆,  黄庆红,  邹志青,  严六明,  杨辉. 高分散钴氮共掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂[J]. 物理化学学报, 2017, 33(7): 1429-1435. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704131 shu
Citation:  ZHOU Yang,  CHENG Qing-Qing,  HUANG Qing-Hong,  ZOU Zhi-Qing,  YAN Liu-Ming,  YANG Hui. Highly Dispersed Cobalt-Nitrogen Co-doped Carbon Nanofiber as Oxygen Reduction Reaction Catalyst[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(7): 1429-1435. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704131 shu

高分散钴氮共掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂

  • 基金项目:

    国家高技术研究发展计划(“863”计划,2015AA043503)和国家自然科学基金(21533005,216673275)资助项目

摘要: 过渡金属氮掺杂碳基催化剂已成为替代铂基氧还原反应(ORR)电催化剂的理想选择。本文通过静电纺丝技术制备了高比表面、高度分散的钴原子配位氮掺杂的碳纳米纤维催化剂(Co-N/C)。X射线衍射(XRD)和高分辨率透射电镜(HRTEM)结果证实Co元素高度分散于制备的Co-N/C催化剂中。X射线光电子能谱结果表明N元素主要以吡啶N和石墨N形式存在。该Co-N/C催化剂对ORR反应呈现出较高的电催化活性,其氧还原起始和半波电位分别为0.92 V和0.80 V (相对于标准氢电极),接近于商业化Pt/C催化剂的性能。以制备的Co-N/C催化剂作为阴极,25℃下锌空气燃料电池的开路电位1.54 V、最大功率密度达到了190 mV·cm-2表明该催化剂具有良好的应用前景。

English

    1. [1]

      (1) Liu, Y.; Ruan, J.; Sang, S.; Zhou, Z.; Wu, Q. Electrochim. Acta 2016, 215, 388. doi: 10.1016/j.electacta.2016.08.090

    2. [2]

      (2) Cheng, F.; Shen, J.; Peng, B.; Pan, Y.; Tao, Z.; Chen, J. Nat. Chem. 2011, 3 (1), 79. doi: 10.1038/nchem.931

    3. [3]

      (3) Zhang, J.; Zhao, Z.; Xia, Z.; Dai, L. Nat. Nanotechnol. 2015, 10 (5), 444. doi: 10.1038/nnano.2015.48

    4. [4]

      (4) Li, Y.; Gong, M.; Liang, Y.; Feng, J.; Kim, J. E.; Wang, H.; Hong, G.; Zhang, B.; Dai, H. Nat. Commun. 2013, 4, 1805. doi: 10.1038/ncomms2812

    5. [5]

      (5) Li, C.; Han, Z.; Yu, Y.; Zhang, Y.; Dong, B.; Kong, A.; Shan, Y. RSC Adv. 2016, 6 (18), 15167. doi: 10.1039/c5ra25862f

    6. [6]

      (6) Chang, S. T.; Huang, H. C.; Wang, H. C.; Hsu, H. C.; Lee, J. F.; Wang, C. H. Int. J. Hydrogen Energy 2014, 39 (2), 934. doi: 10.1016/j.ijhydene.2013.10.082

    7. [7]

      (7) Tylus, U.; Jia, Q.; Strickland, K.; Ramaswamy, N.; Serov, A.; Atanassov, P.; Mukerjee, S. J. Phys. Chem. C 2014, 118 (17), 8999. doi: 10.1021/jp500781v

    8. [8]

      (8) Yang, W.; Liu, X.; Yue, X.; Jia, J.; Guo, S. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (4), 1436. doi: 10.1021/ja5129132

    9. [9]

      (9) Jiang, H.; Yao, Y.; Zhu, Y.; Liu, Y.; Su, Y.; Yang, X.; Li, C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7 (38), 21511. doi: 10.1021/acsami.5b06708

    10. [10]

      (10) Yang, S.; Feng, X.; Wang, X.; Mullen, K. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50 (23), 5339. doi: 10.1002/anie.201100170

    11. [11]

      (11) Yang, Z.; Yao, Z.; Li, G.; Fang, G.; Nie, H.; Liu, Z.; Zhou, X.; Chen, X.; Huang, S. ACS Nano 2012, 6 (1), 205. doi: 10.1021/nn203393d

    12. [12]

      (12) Liao, S.; Peng, H.; Zhang, B. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition) 2012, 40 (10), 121 [廖世军, 彭洪亮, 张丙青. 华南理工大学学报(自然科学版), 2012, 40 (10), 121] doi: 103969/j.issn.1000-565X.2012.10.017

    13. [13]

      (13) Fu, X.; Choi, J. Y.; Zamani, P.; Jiang, G.; Hoque, M. A.; Hassan, F. M.; Chen, Z. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8 (10), 6488. doi: 10.1021/acsami.5b12746

    14. [14]

      (14) Lin, L.; Yang, Z. K.; Jiang, Y. F.; Xu, A. W. ACS Catal. 2016, 6 (7), 4449. doi: 10.1021/acscatal.6b00535

    15. [15]

      (15) Li, S.; Wang, J.; Chen, R.; Zhao, W.; Qian, L.; Pan, M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29 (4), 792. [李赏, 王家堂, 陈锐鑫, 赵伟, 钱柳, 潘牧. 物理化学学报, 2013, 29 (4), 792] doi: 10.3866/PKU.WHXB201302221

    16. [16]

      (16) Lin, L.; Zhu, Q.; Xu, A. W. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (31), 11027. doi: 10.1021/ja504696r

    17. [17]

      (17) Wu, G.; More, K. L.; Xu, P.; Wang, H. L.; Ferrandon, M.; Kropf, A. J.; Myers, D. J.; Ma, S.; Johnston, C. M.; Zelenay, P. Chem. Commun. 2013, 49 (32), 3291. doi: 10.1039/c3cc39121c

    18. [18]

      (18) Wang, Q.; Zhou, Z. Y.; Lai, Y. J.; You, Y.; Liu, J. G.; Wu, X. L.; Terefe, E.; Chen, C.; Song, L.; Rauf, M.; Tian, N.; Sun, S. G. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (31), 10882. doi: 10.1021/ja505777v

    19. [19]

      (19) Wang, Y.; Kong, A.; Chen, X.; Lin, Q.; Feng, P. ACS Catal. 2015, 5 (6), 3887. doi: 10.1021/acscatal.5b00530

    20. [20]

      (20) Chao, S.; Bai, Z.; Cui, Q.; Yan, H.; Wang, K.; Yang, L. Carbon 2015, 82, 77. doi: 10.1016/j.carbon.2014.10.034

    21. [21]

      (21) Liu, R.; Jin, Y.; Xu, P.; Xing, X.; Yang, Y.; Wu, D. J. Colloid Interface Sci. 2016, 464, 83. doi: 10.1016/j.jcis.2015.11.007

    22. [22]

      (22) Wang, X.; Zhang, H.; Lin, H.; Gupta, S.; Wang, C.; Tao, Z.; Fu, H.; Wang, T.; Zheng, J.; Wu, G.; Li, X. Nano Energy 2016, 25, 110. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.04.042

    23. [23]

      (23) Yin, P.; Yao, T.; Wu, Y.; Zheng, L.; Lin, Y.; Liu, W.; Ju, H.; Zhu, J.; Hong, X.; Deng, Z.; Zhou, G.; Wei, S.; Li, Y. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55 (36), 10800. doi: 10.1002/anie.201604802

    24. [24]

      (24) Song, H.; Ding, Y.; Yang, J.; Xu, H. Chin. J. Chem. Phys. 2016, 29 (6), 693. doi: 10.1063/1674-0068/29/cjcp1605115

    25. [25]

      (25) Liu, R.; von Malotki, C.; Arnold, L.; Koshino, N.; Higashimura, H.; Baumgarten, M.; Mullen, K. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133 (27), 10372. doi: 10.1021/ja203776f

    26. [26]

      (26) Cao, R.; Thapa, R.; Kim, H.; Xu, X.; Gyu Kim, M.; Li, Q.; Park, N.; Liu, M.; Cho, J. Nat. Commun. 2013, 4, 2076. doi: 10.1038/ncomms3076

    27. [27]

      (27) Yin, H.; Zhang, C.; Liu, F.; Hou, Y. Adv. Funct. Mater. 2014, 24 (20), 2930. doi: 10.1002/adfm.201303902

    28. [28]

      (28) Wei, P. J.; Yu, G. Q.; Naruta, Y.; Liu, J. G. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53 (26), 6659. doi: 10.1002/anie.201403133

    29. [29]

      (29) Hijazi, I.; Bourgeteau, T.; Cornut, R.; Morozan, A.; Filoramo, A.; Leroy, J.; Derycke, V.; Jousselme, B.; Campidelli, S. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (17), 6348. doi: 10.1021/ja500984k

    30. [30]

      (30) Wu, Z. S.; Chen, L.; Liu, J.; Parvez, K.; Liang, H.; Shu, J.; Sachdev, H.; Graf, R.; Feng, X.; Mullen, K. Adv. Mater. 2014, 26 (9), 1450. doi: 10.1002/adma.201304147

    31. [31]

      (31) Liang, H. W.; Zhuang, X.; Bruller, S.; Feng, X.; Mullen, K. Nat. Commun. 2014, 5, 4973. doi: 10.1038/ncomms5973

    32. [32]

      (32) Guo, D.; Shibuya, R.; Akiba, C.; Saji, S.; Kondo, T.; Nakamura, J.Science 2016, 351 (6271), 361. doi: 10.1126/science.aad0832

    33. [33]

      (33) Zitolo, A.; Goellner, V.; Armel, V.; Sougrati, M. T.; Mineva, T.; Stievano, L.; Fonda, E.; Jaouen, F. Nat. Mater. 2015, 14 (9), 937. doi: 10.1038/nmat4367

    34. [34]

      (34) Liang, H. W.; Wei, W.; Wu, Z. S.; Feng, X.; Mullen, K. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135 (43), 16002. doi: 10.1021/ja407552k

    35. [35]

      (35) Liang, Y.; Wang, H.; Zhou, J.; Li, Y.; Wang, J.; Regier, T.; Dai, H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134 (7), 3517. doi: 10.1021/ja210924t

    36. [36]

      (36) Liu, J.; Hu, Y.; Cao, J. Catal. Commun. 2015, 66, 91. doi: 10.1016/j.catcom.2015.03.027

    37. [37]

      (37) Bhardwaj, N.; Kundu, S. C. Biotechnol. Adv. 2010, 28 (3), 325. doi: 10.1016/j.biotechadv.2010.01.004

    38. [38]

      (38) Wang, Z.; Zuo, P.; Fan, L.; Han, J.; Xiong, Y.; Yin, G. J. Power Sources 2016, 311, 68. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.02.012

    39. [39]

      (39) Liu, Q.; Wang, Y.; Dai, L.; Yao, J. Adv. Mater. 2016, 28 (15), 3000. doi: 10.1002/adma.201506112

    40. [40]

      (40) Guo, S.; Zhang, S.; Wu, L.; Sun, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51 (47), 11770. doi: 10.1002/anie.201206152

    41. [41]

      (41) Chung, H. T.; Won, J. H.; Zelenay, P. Nat. Commun. 2013, 4, 1922. doi: 10.1038/ncomms2944

    42. [42]

      (42) Chaudhari, N. K.; Song, M. Y.; Yu, J. S. Sci. Rep. 2014, 4, 5221. doi: 10.1038/srep05221

    43. [43]

      (43) Duan, J.; Chen, S.; Dai, S.; Qiao, S. Z. Adv. Funct. Mater. 2014, 24 (14), 2072. doi: 10.1002/adfm.201302940

    44. [44]

      (44) Su, F.; Poh, C. K.; Chen, J. S.; Xu, G.; Wang, D.; Li, Q.; Lin, J.; Lou, X.W. Energy Environ. Sci. 2011, 4 (3), 717. doi: 10.1039/c0ee00277a

    45. [45]

      (45) Palaniselvam, T.; Kashyap, V.; Bhange, S. N.; Baek, J. B.; Kurungot, S.Adv. Funct. Mater. 2016, 26 (13), 2150. doi: 10.1002/adfm.201504765

    46. [46]

      (46) Sun, T.; Xu, L.; Li, S.; Chai, W.; Huang, Y.; Yan, Y.; Chen, J. Appl. Catal., B 2016, 193, 1. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.04.006

    47. [47]

      (47) Katsounaros, I.; Cherevko, S.; Zeradjanin, A. R.; Mayrhofer, K. J.Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53 (1), 102. doi: 10.1002/anie.201306588

    48. [48]

      (48) Wu, Z. S.; Yang, S.; Sun, Y.; Parvez, K.; Feng, X.; Mullen, K. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134 (22), 9082. doi: 10.1021/ja3030565

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  6
  • 文章访问数:  1079
  • HTML全文浏览量:  119
文章相关
  • 发布日期:  2017-04-07
  • 收稿日期:  2017-02-20
  • 修回日期:  2017-04-05
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章