【催化】负载锰钴尖晶石的缺陷活性炭作为一种高效的氧还原电催化剂

X一MOL资讯 2021-11-23 16:31:27

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一般来说,纯的碳材料并不被认为具有高效的电催化活性,活性炭就是一个典型的例子。由于活性炭价格低廉而且已经实现了大规模化生产,那么活性炭经过简单的改性处理后能否具有很高的电催化活性呢?最近,澳大利亚格里菲斯大学姚向东教授课题组基于他们所提出的一种缺陷催化机理,成功地使活性炭具有很高的氧还原反应(ORR)催化活性,并通过负载少量的锰钴尖晶石纳米颗粒,在碱性条件下使其具有和商业化的Pt/C可以媲美的ORR催化性能


燃料电池因其高的能量转化效率和无污染的特点而被认为是目前最有发展前景的高效清洁发电技术,然而燃料电池迟缓的阴极氧还原反应极大地降低了其整体性能。目前来说,铂(Pt)及其合金仍然是目前最为有效的催化剂。但是由于Pt资源稀缺、价格昂贵, 在直接甲醇燃料电池中,Pt还会受到甲醇的毒化作用而失去催化活性,并且其稳定性较差,这些问题在很大程度上限制了其商业化应用,因此设计与开发廉价高效稳定的ORR电催化剂对实现燃料电池的大规模商业化应用具有重要的意义。


姚向东教授团队最近提出的一种缺陷催化机理表明,在碳材料中,特定类型的缺陷可以使纯的碳材料具有很高的电催化活性,他们通过不同的方法在不同的材料中成功地制造出了对ORR有利的特殊缺陷来提高“纯碳”材料的电催化活性。典型的例子包括:通过原位去掉氮原子的方法在一种含氮的多孔有机骨架材料(PAF-40)中成功地制造出了对ORR有效的缺陷;通过去除碳材料中的金属元素,他们也得到了性能很好的“纯碳”ORR催化剂,如他们高温去掉一种含锌金属有机骨架材料(MOF)中的锌后发现,所得碳材料的氧还原性能有很大幅度地提升;通过引入氮原子然后去掉氮原子的方法成功地在活性炭中制造出了对ORR有效的缺陷,所得催化剂的氧还原性能在碱性条件下与商业的Pt/C催化剂已经十分接近;此外,他们还以单层石墨烯为研究对象,通过掺氮的方法向其引入氮原子,然后在高温条件下将掺入的氮原子去掉以制造缺陷,并借助于球差电镜在所得的缺陷石墨烯中观察到了不同类型的缺陷,这对他们所提出的缺陷催化机理是一个有力的证据。


尽管缺陷活性炭(D-AC)的ORR催化活性在不含金属的催化剂中位居前列,但是其催化性能仍然比不上商业化的Pt/C。鉴于此,他们以具有较高ORR催化活性的D-AC作为载体,然后通过一种简易的液相浸渍法引入了少量的非贵金属锰钴尖晶石纳米颗粒。由于碳表面的缺陷是高能量点,可以和所负载的金属有很强的相互作用,使得所负载的金属粒子分布更均匀和尺寸更小,从而提高材料的催化活性。同时,这种强相互作用使得该催化剂在工况条件下有更好的稳定性。从下图a可以看出所得的催化剂D-AC@2Mn-4Co已经具有和商业的Pt/C相当的ORR性能,并且其稳定性比Pt/C更好(图b),同时它还不会受到甲醇毒化的影响(图c),说明它也适用于甲醇燃料电池。图d是缺陷和锰钴尖晶石相互作用而提高所得催化剂氧还原性能的反应机理图,这对开发设计更高效的催化剂来说具有一定的指导作用。



这一成果近期发表在Advanced Materials上,文章的第一作者澳大利亚格里菲斯大学严学成博士


该论文作者为:Xuecheng Yan, Yi Jia, Jie Chen, Zhonghua Zhu, Xiangdong Yao

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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201601651/abstract

Defective-Activated-Carbon-Supported Mn–Co Nanoparticles as a Highly Efficient Electrocatalyst for Oxygen Reduction

Adv. Mater., 2016, 28, 8771-8778. DOI: 10.1002/adma.201601651


姚向东博士简介


姚向东,澳大利亚格里菲斯大学昆士兰微纳米技术中心教授。2005年于澳大利亚昆士兰大学取得博士学位,2005年至2009年在昆士兰大学工作,2009年起作为副教授就职于澳大利亚格里菲斯大学,2012年底被评为教授。研究领域主要包括新能源材料,尤其是储氢材料、电催化剂的制备、性能与应用研究等。姚向东教授在上述领域发表学术论文160余篇,其中包括Nat. Commun.Adv. Mater.Adv. Energy Mater.JACSEnergy Environ. Sci.等国际知名期刊。


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