吡啶掺杂碳载钴酞菁催化氧还原的电化学性能及在燃料电池中的应用

戴先逢 郑明富 徐攀 石晶晶 马承禺 乔锦丽

引用本文: 戴先逢, 郑明富, 徐攀, 石晶晶, 马承禺, 乔锦丽. 吡啶掺杂碳载钴酞菁催化氧还原的电化学性能及在燃料电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2013, 29(08): 1753-1761. doi: 10.3866/PKU.WHXB201306141 shu
Citation:  DAI Xian-Feng, ZHEN Ming-Fu, XU Pan, SHI Jing-Jing, MA Cheng-Yu, QIAO Jin-Li. Electrochemical Behavior of Pyridine-Doped Carbon-Supported Co-Phthalocyanine (Py-CoPc/C) for Oxygen Reduction Reaction and Its Application to Fuel Cell[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2013, 29(08): 1753-1761. doi: 10.3866/PKU.WHXB201306141 shu

吡啶掺杂碳载钴酞菁催化氧还原的电化学性能及在燃料电池中的应用

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21173039) (21173039)

    高等学校博士学科点专项科研基金(20110075110001) (20110075110001)

    国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心(20110927)资助项目 (20110927)

摘要:

以碳黑(Vulcan XC-72R)为载体, 吡啶(Py)和钴酞菁(CoPc)为催化剂前驱体, 经溶剂分散法制备了Py掺杂碳负载纳米钴酞菁复合催化剂(Py-CoPc/C). 通过扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)、X射线光电子能谱(XPS)分析和X射线衍射(XRD)分析技术对催化剂的组成和微观结构进行了表征, 并运用线性扫描循环伏安法(LSV)和旋转圆盘电极(RDE)技术考察了不同Py掺杂含量对碳载钴酞菁(CoPc/C)催化氧还原反应(ORR)活性的影响及稳定性. 结果显示: Py掺杂可以明显改善CoPc/C 对ORR的电催化性能, 其中掺杂20%Py下所制备的20%Py-20%CoPc/C 催化剂对ORR表现出最佳的催化活性, 以其制备的气体扩散电极在O2气氛饱和的0.1 mol·L-1 KOH 电解质溶液中, 0.2 V (相对于标准氢电极)即可产生明显的氧还原电流, 半波电位为-0.03 V. 相比于40%Py/C 和未掺杂的40%CoPc/C, 20%Py-20%CoPc/C催化剂的半波电位分别正移了160 和15 mV. 进一步运用RDE理论研究表明, 在Py-CoPc/C 电极上ORR的电子转移总数为2.38, 高于CoPc/C电极上的电子转移总数1.96, 从而使ORR的选择性明显提高. SEM-EDS和XRD分析表明Py掺杂提高了CoPc/C催化剂的分散性和N含量, 更利于O2的吸附. XPS分析表明: 吡啶结构的N与石墨结构的N均存在于Py-CoPc/C 催化剂中,与催化剂表面的Co离子配位可能是促使ORR活性提高的原因. 最后以20%Py-20%CoPc/C制备了膜电极组装(MEA)电极, 应用于H2/O2 燃料电池单电池发电, 室温下获得最大发电功率密度为21 mW·cm-2, 相对于CoPc/C提高至2.4倍.

English

    1. [1]

      (1) Abdel, R. M. A.; Abdel, H. R. M.; Khalia, M.W. J. Power Sources 2004, 134, 160. doi: 10.1016/j.jpowsour.2004.02.034

      (1) Abdel, R. M. A.; Abdel, H. R. M.; Khalia, M.W. J. Power Sources 2004, 134, 160. doi: 10.1016/j.jpowsour.2004.02.034

    2. [2]

      (2) Tripkovic, A. V.; Popovic, K. D.; Grgur, B. N.; Blizanac, B.;Ross, P. N.; Markovic, N. M. Electrochim. Acta 2002, 47, 3707.doi: 10.1016/S0013-4686(02)00340-7(2) Tripkovic, A. V.; Popovic, K. D.; Grgur, B. N.; Blizanac, B.;Ross, P. N.; Markovic, N. M. Electrochim. Acta 2002, 47, 3707.doi: 10.1016/S0013-4686(02)00340-7

    3. [3]

      (3) Chen, R. R.; Li, H.; Chu, D.;Wang, G. F. J. Phys. Chem. C2009, 113, 20689. doi: 10.1021/jp906408y(3) Chen, R. R.; Li, H.; Chu, D.;Wang, G. F. J. Phys. Chem. C2009, 113, 20689. doi: 10.1021/jp906408y

    4. [4]

      (4) Lefèvre, M.; Dodelet, J. P. Electrochim. Acta 2003, 48, 2749.(4) Lefèvre, M.; Dodelet, J. P. Electrochim. Acta 2003, 48, 2749.

    5. [5]

      (5) Baker, R.;Wilkinson, D. P.; Zhang, J. Electrochim. Acta 2008,53, 6906. doi: 10.1016/j.electacta.2008.01.055(5) Baker, R.;Wilkinson, D. P.; Zhang, J. Electrochim. Acta 2008,53, 6906. doi: 10.1016/j.electacta.2008.01.055

    6. [6]

      (6) Li, Z. P.; Liu, B. H. J. Appl. Electrochem. 2012, 40, 475(6) Li, Z. P.; Liu, B. H. J. Appl. Electrochem. 2012, 40, 475

    7. [7]

      (7) Yu, E. H.; Cheng, S.; Logan, B. F.; Scott, K. J. J. Appl. Electrochem. 2009, 39, 705. doi: 10.1007/s10800-008-9712-2(7) Yu, E. H.; Cheng, S.; Logan, B. F.; Scott, K. J. J. Appl. Electrochem. 2009, 39, 705. doi: 10.1007/s10800-008-9712-2

    8. [8]

      (8) Cote, R.; Lalande, G. T.; Bailey, L. D.; Guay, D.; Dodelet, J. P.J. Electrochem. Soc. 1998, 145, 2411. doi: 10.1149/1.1838651(8) Cote, R.; Lalande, G. T.; Bailey, L. D.; Guay, D.; Dodelet, J. P.J. Electrochem. Soc. 1998, 145, 2411. doi: 10.1149/1.1838651

    9. [9]

      (9) Lu, Y.; Reddy, R. G. Int. J. Hydrog. Energy 2008, 33, 3930. doi: 10.1016/j.ijhydene.2007.12.031(9) Lu, Y.; Reddy, R. G. Int. J. Hydrog. Energy 2008, 33, 3930. doi: 10.1016/j.ijhydene.2007.12.031

    10. [10]

      (10) Bambagioni, V.; Bianchini, C.; Filippi, J.; Lavacchi, A.;Oberhauser,W.; Marchionni, A. J. Power Sources 2011, 196,2519. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.11.030(10) Bambagioni, V.; Bianchini, C.; Filippi, J.; Lavacchi, A.;Oberhauser,W.; Marchionni, A. J. Power Sources 2011, 196,2519. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.11.030

    11. [11]

      (11) Chung, H. T.; Johnston, C. M.; Zelenay, P. Electrochemical Society Trans. 2009, 25, 485(11) Chung, H. T.; Johnston, C. M.; Zelenay, P. Electrochemical Society Trans. 2009, 25, 485

    12. [12]

      (12) Faubert, G.; Cote, R.; Dodelet, J. P.; Lefevre, M.; Bertrand, P.Electrochim. Acta 1999, 44, 2589.(12) Faubert, G.; Cote, R.; Dodelet, J. P.; Lefevre, M.; Bertrand, P.Electrochim. Acta 1999, 44, 2589.

    13. [13]

      (13) Cote, R.; Lalande, G.; Faubert, G.; Guay, D.; Dodelet, J. P.;Denes, G. J. New Mater. Electrochem. Syst. 1988, 1, 7.(13) Cote, R.; Lalande, G.; Faubert, G.; Guay, D.; Dodelet, J. P.;Denes, G. J. New Mater. Electrochem. Syst. 1988, 1, 7.

    14. [14]

      (14) Gupta, S.; Tryk, D.; Zecevic, S. K.; Aldred,W.; Guo, D.;Savinell, R. J. Appl. Electrochem. 1998, 28, 673. doi: 10.1023/A:1003288609411(14) Gupta, S.; Tryk, D.; Zecevic, S. K.; Aldred,W.; Guo, D.;Savinell, R. J. Appl. Electrochem. 1998, 28, 673. doi: 10.1023/A:1003288609411

    15. [15]

      (15) Bhugun, I.; Fred, C. Anson. J. Electroanal. Chem. 1997, 430,155.(15) Bhugun, I.; Fred, C. Anson. J. Electroanal. Chem. 1997, 430,155.

    16. [16]

      (16) uerec, P.; Savy, M. Electrochim. Acta 1999, 44, 2653.(16) uerec, P.; Savy, M. Electrochim. Acta 1999, 44, 2653.

    17. [17]

      (17) Seeliger,W.; Hamnett, A. Electrochim. Acta 1992, 37, 763. doi: 10.1016/0013-4686(92)80083-X(17) Seeliger,W.; Hamnett, A. Electrochim. Acta 1992, 37, 763. doi: 10.1016/0013-4686(92)80083-X

    18. [18]

      (18) Tian, J. H.;Wang, F. B.; Shan, Z. Q.;Wang, R. J.; Zhang, J. Y.J. Appl. Electrochem. 2004, 34, 461. doi: 10.1023/B:JACH.0000021860.94340.02(18) Tian, J. H.;Wang, F. B.; Shan, Z. Q.;Wang, R. J.; Zhang, J. Y.J. Appl. Electrochem. 2004, 34, 461. doi: 10.1023/B:JACH.0000021860.94340.02

    19. [19]

      (19) Cheng, H.; Yan,W.; Scott, K. Fuel Cells 2007, 7, 16.(19) Cheng, H.; Yan,W.; Scott, K. Fuel Cells 2007, 7, 16.

    20. [20]

      (20) Nallathamibi, V.; Lee J.W.; Kumaraguru, S. P.;Wu, G.; Popov,B. N. J. Power Sources 2008, 183, 34. doi: 10.1016/j.jpowsour.2008.05.020(20) Nallathamibi, V.; Lee J.W.; Kumaraguru, S. P.;Wu, G.; Popov,B. N. J. Power Sources 2008, 183, 34. doi: 10.1016/j.jpowsour.2008.05.020

    21. [21]

      (21) Ozaki, J.; Kimura, N.; Anahara, T.; Oya, A. Carbon 2007, 45,1847. doi: 10.1016/j.carbon.2007.04.031(21) Ozaki, J.; Kimura, N.; Anahara, T.; Oya, A. Carbon 2007, 45,1847. doi: 10.1016/j.carbon.2007.04.031

    22. [22]

      (22) Iwazaki, T.; Obinata, R.; Sugimoto,W.; Takasu, Y. Electrochem. Commun. 2009, 11, 376. doi: 10.1016/j.elecom.2008.11.045(22) Iwazaki, T.; Obinata, R.; Sugimoto,W.; Takasu, Y. Electrochem. Commun. 2009, 11, 376. doi: 10.1016/j.elecom.2008.11.045

    23. [23]

      (23) Iwazaki, T.; Yang, H.; Obinata, R.; Sugimoto,W.; Takasu, Y.J. Power Sources 2010, 195, 5840. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.12.135(23) Iwazaki, T.; Yang, H.; Obinata, R.; Sugimoto,W.; Takasu, Y.J. Power Sources 2010, 195, 5840. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.12.135

    24. [24]

      (24) ng, K.; Du, F.; Xia, Z.; Durstock, M.; Dai, L. Science 2009,323, 760. doi: 10.1126/science.1168049(24) ng, K.; Du, F.; Xia, Z.; Durstock, M.; Dai, L. Science 2009,323, 760. doi: 10.1126/science.1168049

    25. [25]

      (25) Lefèvre, M.; Proietti, E.; Jaouen, F.; Dodelet, J. P. Science 2009,324, 71. doi: 10.1126/science.1170051(25) Lefèvre, M.; Proietti, E.; Jaouen, F.; Dodelet, J. P. Science 2009,324, 71. doi: 10.1126/science.1170051

    26. [26]

      (26) Collman, J. P.; Chien, A. S.; Eberspacher, T. A.; Zhong, M.;Brauman, J. I. Inorg. Chem. 2000, 39, 4625. doi: 10.1021/ic000071z(26) Collman, J. P.; Chien, A. S.; Eberspacher, T. A.; Zhong, M.;Brauman, J. I. Inorg. Chem. 2000, 39, 4625. doi: 10.1021/ic000071z

    27. [27]

      (27) Qiao, J. L.; Xu, L.; Ding, L.; Zhang, L.; Baker, R.; Dai, X. F.;Zhang, J. J. Appl. Catal. B 2012, 125, 197. doi: 10.1016/j.apcatb.2012.05.050(27) Qiao, J. L.; Xu, L.; Ding, L.; Zhang, L.; Baker, R.; Dai, X. F.;Zhang, J. J. Appl. Catal. B 2012, 125, 197. doi: 10.1016/j.apcatb.2012.05.050

    28. [28]

      (28) Velázquez-Palenzuela, A.; Zhang, L.;Wang, L. C.; Cabo, P. L.;Brillas, E.; Tsaya, K.; Zhang, J. J. Electrochim. Acta 2011, 56,4744. doi: 10.1016/j.electacta.2011.03.059(28) Velázquez-Palenzuela, A.; Zhang, L.;Wang, L. C.; Cabo, P. L.;Brillas, E.; Tsaya, K.; Zhang, J. J. Electrochim. Acta 2011, 56,4744. doi: 10.1016/j.electacta.2011.03.059

    29. [29]

      (29) Ding, L.; Qiao, J. L.; Dai, X. F.; Zhang, J. J.; Tian, B. L. Int. J. Hydrog. Energy 2012, 37, 14103. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.07.046(29) Ding, L.; Qiao, J. L.; Dai, X. F.; Zhang, J. J.; Tian, B. L. Int. J. Hydrog. Energy 2012, 37, 14103. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.07.046

    30. [30]

      (30) Xu, Z.W.; Li, H. J.; Cao, G. X.; Zhang, Q. L.; Li, K. Z.; Zhao,X. N. J. Mol. Catal. A -Chem. 2011, 335, 89. doi: 10.1016/j.molcata.2010.11.018(30) Xu, Z.W.; Li, H. J.; Cao, G. X.; Zhang, Q. L.; Li, K. Z.; Zhao,X. N. J. Mol. Catal. A -Chem. 2011, 335, 89. doi: 10.1016/j.molcata.2010.11.018

    31. [31]

      (31) Iamamoto, Y.; Assis, M. D.; Ciuffi, K. J.; Sacco, H. C.;Iwamoto, L.; Melo, A. J. B.; Nascimento, O. R.; Prado, M. C. J. Mol. Catal. A -Chem. 1996, 109, 189. doi: 10.1016/1381-1169(96)00030-1(31) Iamamoto, Y.; Assis, M. D.; Ciuffi, K. J.; Sacco, H. C.;Iwamoto, L.; Melo, A. J. B.; Nascimento, O. R.; Prado, M. C. J. Mol. Catal. A -Chem. 1996, 109, 189. doi: 10.1016/1381-1169(96)00030-1

    32. [32]

      (32) Baranton, S.; Coutanceau, C.; Roux, C.; Hahn, F.; Leger, J. M.J. Electroanal. Chem. 2005, 577, 223.(32) Baranton, S.; Coutanceau, C.; Roux, C.; Hahn, F.; Leger, J. M.J. Electroanal. Chem. 2005, 577, 223.

    33. [33]

      (33) Lima, F. H. B.; Giz, M. J.; Ticianelli, E. A. J. Braz. Chem. Soc.2005, 16, 328.(33) Lima, F. H. B.; Giz, M. J.; Ticianelli, E. A. J. Braz. Chem. Soc.2005, 16, 328.

    34. [34]

      (34) Giacomini, M. T.; Ticianelli, E. A.; McBreen, J.;Balasubramanianb, M. J. Electrochem. Soc. 2001, 148, A323.(34) Giacomini, M. T.; Ticianelli, E. A.; McBreen, J.;Balasubramanianb, M. J. Electrochem. Soc. 2001, 148, A323.

    35. [35]

      (35) Markovic, N. M.; Schmidt, T. J.; Stamenkovic, V.; Ross, P. N.Fuel Cells 2001, 1, 105.(35) Markovic, N. M.; Schmidt, T. J.; Stamenkovic, V.; Ross, P. N.Fuel Cells 2001, 1, 105.

    36. [36]

      (36) Bard, A. J.; Faulkner, L. Electrochemical Methods, Wiley &Sons: New York, 2001, p 331.(36) Bard, A. J.; Faulkner, L. Electrochemical Methods, Wiley &Sons: New York, 2001, p 331.

    37. [37]

      (37) Lu, Y. H.; Ramana, G. R. Electrochim. Acta 2007, 52, 2562.(37) Lu, Y. H.; Ramana, G. R. Electrochim. Acta 2007, 52, 2562.

    38. [38]

      (38) Li, X.; Liu, G.; Popov, B. N. J. Power Sources 2010, 195, 6373.(38) Li, X.; Liu, G.; Popov, B. N. J. Power Sources 2010, 195, 6373.

    39. [39]

      (39) Lee, K.; Zhang, L.; Lui, H. Electrochim. Acta 2009, 54, 4704.(39) Lee, K.; Zhang, L.; Lui, H. Electrochim. Acta 2009, 54, 4704.

    40. [40]

      (40) Velázquez-Palenzuela, A.; Zhang, L.;Wang, L. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 12929.(40) Velázquez-Palenzuela, A.; Zhang, L.;Wang, L. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 12929.

    41. [41]

      (41) Liu, G.; Li, X.; Ganesan, P. Electrochim. Acta 2010, 55, 2853.

      (41) Liu, G.; Li, X.; Ganesan, P. Electrochim. Acta 2010, 55, 2853.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  879
  • 文章访问数:  1006
  • HTML全文浏览量:  3
文章相关
  • 发布日期:  2013-07-09
  • 收稿日期:  2013-04-01
  • 网络出版日期:  2013-06-14
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