Metal-Organic Framework-Derived Fe-N-C Nanohybrids as Highly-Efficient Oxygen Reduction Catalysts

Qianqian WANG Dajun LIU Xingquan HE

Citation:  WANG Qianqian, LIU Dajun, HE Xingquan. Metal-Organic Framework-Derived Fe-N-C Nanohybrids as Highly-Efficient Oxygen Reduction Catalysts[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(7): 740-748. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809003 shu

基于金属有机框架衍生的Fe-N-C纳米复合材料作为高效的氧还原催化剂

    通讯作者: 何兴权, hexingquan@hotmail.com
  • 基金项目:

    吉林省自然科学基金 20160101298 JC

    吉林省自然科学基金(20160101298 JC)资助项目

摘要: 开发用于氧还原反应(ORR)的低成本和高性能的非贵金属催化剂(NPMC)对于燃料电池的商业化至关重要。在这里,我们介绍了一种简单合成的由Fe3C纳米粒子包裹在介孔N掺杂碳(Fe-NC)中的NPMC材料,包括MIL-100(Fe)与葡萄糖和尿素的物理混合,以及随后在惰性气体下的热解。由此获得的Fe-N-C-900 (在900 ℃下制备的材料)表现出优异的电催化活性,高耐久性和对ORR卓越的甲醇耐受性,其催化性能与商业Pt/C在碱性介质中的催化性能相当。Fe-N-C-900在ORR中表现出优异的催化活性和稳定性,这是由于其较大的BET比表面积,较大的孔体积,氮掺杂剂,活性Fe3C纳米粒子以及其中活性官能团之间的协同效应。

English

    1. [1]

      Liu, X.; Liu, W.; Ko, M.; Park, M.; Kim, M. G.; Oh, P.; Chae, S.; Park, S.; Casimir, A.; Wu, G.; Cho, J. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 5799. doi: 10.1002/adfm.201502217

    2. [2]

      Qiao, X. C.; Liao, S. J.; Zheng, R. P.; Deng, Y. J.; Song, H. Y.; Du, L. ACS Sustainable Chem. Eng. 2016, 4, 4131. doi: 10.1021/acssuschemeng.6b00451

    3. [3]

      Li, R.; Wei, Z. D.; Gou, X. L. ACS Catal. 2015, 5, 4133. doi: 10.1021/acscatal.5b00601

    4. [4]

      Guo, X.; Li, L.; Zhang, X. H.; Chen, J. H. ChemElectroChem.2015, 2, 404. doi: 10.1002/celc.201402342

    5. [5]

      Li, P. X.; Ma, R. G.; Zhou, Y.; Chen, Y. F.; Liu, Q.; Peng, G. H.; Wang, J. C. RSC Adv. 2016, 6, 70763. doi: 10.1039/c6ra14394f

    6. [6]

      He, B. C.; Chen, X. X.; Lu, J. M.; Yao, S. D.; Wei, J.; Zhao, Q.; Jing, D. S.; Huang, X. N.; Wang, T. Electroanalysis2016, 28, 2435. doi: 10.1002/elan.201600258

    7. [7]

      Wu, Z. S.; Yang, S. B.; Sun, Y.; Parvez, K.; Feng, X. L.; Müllen, K. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 9082. doi: 10.1021/ja3030565

    8. [8]

      Sa, Y. J.; Park, C.; Jeong, H. Y.; Park, S. H.; Lee, Z.; Kim, K. T.; Park, G. G.; Joo, S. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 126, 4186. doi: 10.1002/ange.201307203

    9. [9]

      Lv, G. J.; Cui, L. L.; Wu, Y. Y.; Liu, Y.; Pu, T.; He, X. Q. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 13093. doi: 10.1039/c3cp51577j

    10. [10]

      Zhang, C.; An, B.; Yang, L.; Wu, B. B.; Shi, W.; Wang, Y. C.; Long, L. S.; Wang, C.; Lin, W. B. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 4457. doi: 10.1039/c6ta00768f

    11. [11]

      Liu, X. J.; Li, L. G.; Zhou, W. J.; Zhou, Y. C.; Niu, W. H.; Chen, S. W. ChemElectroChem.2015, 2, 803. doi: 10.1002/celc.201500002

    12. [12]

      Zhang, C. Z.; Mahmood, N.; Yin, H.; Liu, F.; Hou, Y. L. Adv. Mater. 2013, 25, 4932. doi: 10.1002/adma.201301870

    13. [13]

      Zhang, J. T.; Qu, L. T.; Shi, G. Q.; Liu, J. Y.; Chen, J. F.; Dai, L. M. Angew. Chem.Int. Ed. 2016, 128, 2270. doi: 10.1002/anie.201510495

    14. [14]

      Sheng, Z. H.; Shao, L.; Chen, J. J.; Bao, W. J.; Wang, F. B.; Xia, X. H. ACS Nano 2011, 5, 4350. doi: 10.1021/nn103584t

    15. [15]

      Chang, Y. Q.; Hong, F.; He, C. X.; Zhang, Q. L.; Liu, J. H. Adv. Mater. 2013, 25, 4794. doi: 10.1002/adma.201301002

    16. [16]

      Liang, H. W.; Wei, W.; Wu, Z. S.; Feng, X. L.; Müllen, K. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 16002. doi: 10.1021/ja407552k

    17. [17]

      Jiang, W. J.; Gu, L.; Li, L.; Zhang, Y.; Zhang, X.; Zhang, L. J.; Wang, J. Q.; Hu, J. S.; Wei, Z. D.; Wan, L. J. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3570. doi: 10.1021/jacs.6b00757

    18. [18]

      Li, J. K.; Ghoshal, S.; Liang, W.; Sougrati, M. T.; Jaouen, F.; Halevi, B.; McKinney, S.; McCool, G.; Ma, C. R.; Yuan, X. X.; et al. Science 2016, 9, 2418. doi: 10.1039/c6ee01160h

    19. [19]

      Li, Z. T.; Sun, H. D.; Wei, L. Q.; Jiang, W. J.; Wu, M. B.; Hu, J. S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 5272. doi: 10.1021/acsami.6b15154

    20. [20]

      Lu, H. Y.; Yan, J. J.; Zhang, Y. F.; Huang, Y. P.; Gao, W.; Fan, W.; Liu, T. X. ChemNanoMat.2016, 2, 972. doi: 10.1002/cnma.201600173

    21. [21]

      Li, J. S.; Li, S. L.; Tang, Y. J.; Han, M.; Dai, Z. H.; Bao, J. C.; Lan, Y. Q. Chem. Commun. 2015, 51, 2710. doi: 10.1039/c4cc09062d

    22. [22]

      Nandan, R.; Nanda, K. K. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 16843. doi: 10.1039/c7ta04597b

    23. [23]

      Ren, G. Y.; Lu, X. Y.; Li, Y. N.; Zhu, Y.; Dai, L. M.; Jiang, L. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 4118. doi: 10.1021/acsami.5b11786

    24. [24]

      Aijaz, A.; Masa, J.; R sler, C.; Antoni, H.; Fischer, R. A.; Schuhmann, W.; Muhler, M. Chem. Eur. J. 2017, 23, 12125. doi: 10.1002/chem.201701389

    25. [25]

      Yang, W. X.; Liu, X. J.; Yue, X. Y.; Jia, J. B.; Guo, S. J. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1436. doi: 10.1021/ja5129132

    26. [26]

      Liu, Y. L.; Xu, X. Y.; Sun, P. C.; Chen, T. H. Int. J. Hydrogen Energy 2015, 40, 4531. doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.02.018

    27. [27]

      Wang, Z. L.; Xiao, S.; Zhu, Z. L.; Long, X.; Zheng, X. L.; Lu, X. H.; Yang, S. H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 4048. doi: 10.1021/am507744y

    28. [28]

      Yang, J.; Wang, X.; Li, B.; Ma, L.; Shi, L.; Xiong, Y. J.; Xu, H. X. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1606497. doi: 10.1002/adfm.201606497

    29. [29]

      Peera, S. G.; Arunchander, A.; Sahu, A. K. Nanoscale 2016, 8, 14650. doi: 10.1039/c6nr02263d

    30. [30]

      Tian, W. J.; Zhang, H. Y.; Sun, H. Q.; Suvorva, A.; Saunders, M.; Tade, M.; Wang, S. B. Adv. Funct. Mater.2016, 26, 8651. doi: 10.1002/adfm.201603937

    31. [31]

      Proietti, E.; Jaouen, F.; Lefèvre, M.; Larouche, N.; Tian, J.; Herranz, J.; Dodelet, J. P. Nat. Commun. 2011, 2, 416. doi: 10.1038/ncomms1427

    32. [32]

      Ahn, S. H.; Manthiram, A. Small 2017, 13, 1603437. doi: 10.1002/smll.201603437

    33. [33]

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

    34. [34]

      Lai, Q. X.; Su, Q.; Gao, Q. W.; Liang, Y. Y.; Wang, Y. X.; Yang, Z.; Zhang, X. G.; He, J. P.; Tong, H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 18170. doi: 10.1021/acsami.5b05834

    35. [35]

      Niu, W. H.; Li, L. G.; Liu, X. J.; Wang, N.; Liu, J.; Zhou, W. J.; Tang, Z. H.; Chen, S. W. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 5555. doi: 10.1021/jacs.5b02027

    36. [36]

      Xiao, M. L.; Zhu, J. B.; Feng, L. G.; Liu, C. P.; Xing, W. Adv. Mater. 2015, 27, 2521. doi: 10.1002/adma.201500262

    37. [37]

      Hu, Y.; Jensen, J. O.; Zhang, W.; Cleemann, L. N.; Xing, W.; Bjerrum, N. J.; Li, Q. F. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 126, 3749. doi: 10.1002/ange.201400358

    38. [38]

      Xia, B. Y.; Yan, Y.; Li, N.; Wu, H. B.; Lou, X. W.; Wang, X. Nat. Energy 2016, 1, 15006. doi: 10.1038/NENERGY.2015.6

    39. [39]

      Ye, L.; Chai, G. L.; Wen, Z. H. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1606190. doi: 10.1002/adfm.201606190

    40. [40]

      Xu, Y.; Tu, W. G.; Zhang, B. W.; Yin, S. M.; Huang, Y. Z.; Kraft, M.; Xu, R. Adv. Mater. 2017, 29, 1605957. doi: 10.1002/adma.201605957

    41. [41]

      Gu, W. L.; Hu, L. Y.; Li, J.; Wang, E. K. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 35281. doi: 10.1021/acsami.6b12031

    42. [42]

      Deng, Y. J.; Dong, Y. Y.; Wang, G. H.; Sun, K. L.; Shi, X. D.; Zheng, L.; Li, X. H.; Liao, S. J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 9699. doi: 10.1021/acsami.6b16851

    43. [43]

      You, B.; Jiang, N.; Sheng, M. L.; Drisdell, W. S.; Yano, J.; Sun, Y. J. ACS Catal.2015, 5, 7068. doi: 10.1021/acscatal.5b02325

    44. [44]

      Wang, D. K.; Wang, M. T.; Li, Z. H. ACS Catal. 2015, 5, 6852. doi: 10.1021/acscatal.5b01949

    45. [45]

      Dou, S.; Tao, L.; Huo, J.; Wang, S. Y.; Dai, L. M. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 1320. doi: 10.1039/c6ee00054a

    46. [46]

      Zhu, Q. L.; Xia, W.; Akita, T.; Zou, R. Q.; Xu, Q. Adv. Mater. 2016, 28, 6391. doi: 10.1002/adma.201600979

    47. [47]

      Zhu, J. B.; Xiao, M. L.; Zhang, Y. L.; Jin, Z.; Peng, Z. Q.; Liu, C. P.; Chen, S. L.; Ge, J. J.; Xing, W. ACS Catal. 2016, 6, 6335. doi: 10.1021/acscatal.6b01503

    48. [48]

      Hao, Y. C.; Lu, Z. Y.; Zhang, G. X.; Chang, Z.; Luo, L.; Sun, X. M. Energy Technology. 2017, 5, 1265. doi: 10.1002/ente.201600559

    49. [49]

      Yang, Z. K.; Lin, L.; Xu, A. W. Small 2016, 12, 5710. doi: 10.1002/smll.201601887

    50. [50]

      Niu, W. H.; Li, L. G.; Liu, J; Wang, N.; Li, W.; Tang, Z. H.; Zhou, W. J.; Chen, S. W. Small 2016, 12, 1900. doi: 10.1002/smll.201503542

    51. [51]

      Shi, W.; Wang, Y. C.; Chen, C.; Yang, X. D.; Zhou, Z. Y.; Sun, S. G. Chin. J. Catal. 2016, 37, 1103. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62471-3

    52. [52]

      Zhang, Y. Q.; Zhang, X. L.; Ma, X. X.; Guo, W. H.; Wang, C. C.; Asefa, T.; He, X. Q. Sci. Report 2017, 7, 43366. doi: 10.1038/srep43366

    53. [53]

      Yang, Y.; Zhao, L.; Hu, X. L.; Guan, Y.; Xue, J. H.; Zhu, Z.; Cui, L. L. Chem. Select. 2017, 2, 4176. doi: 10.1002/slct.201700538

    54. [54]

      Wang, Y.; Chen, X. T.; Lin, Q. P.; Kong, A. G.; Zhai, Q. G.; Xie, S. L.; Feng, P. Y. Nanoscale. 2017, 9, 862. doi: 10.1039/c6nr07268b

    55. [55]

      Jiang, H.; Liu, Y. S.; Hao, J. Y.; Wang, Y. Q.; Li, W. Z.; Li, J. ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5, 5341. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b00655

    56. [56]

      Zhao, Y.; Kamiya, K.; Hashimoto, K.; Nakanishi, S. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 2583. doi: 10.1021/jp511515q

    57. [57]

      Yuan, Y.; Yang, L.; He, B.; Pervaiz, E.; Shao, Z.; Yang, M. Nanoscale 2017, 9, 6259. doi: 10.1039/c7nr02264f

    58. [58]

      Song, L.; Wang, T.; Ma, Y. O.; Xue, H. R.; Guo, H.; Fan, X. L.; Xia, W.; Gong, H.; He, J. P. Chem. Eur. J. 2017, 23, 3398. doi: 10.1002/chem.201605026

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  21
  • 文章访问数:  931
  • HTML全文浏览量:  315
文章相关
  • 发布日期:  2019-07-15
  • 收稿日期:  2018-09-03
  • 接受日期:  2018-10-30
  • 修回日期:  2018-10-29
  • 网络出版日期:  2018-07-08
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