具有精確構(gòu)建吡啶-N活性位點(diǎn)的氮摻雜碳球用于高效電催化氧還原

前言

2022年5月，AppliedSurface Science (中科院一區(qū)，影響因子7.392)在線(xiàn)發(fā)表了三峽大學(xué)葉立群教授團(tuán)隊(duì)有關(guān)CTFs衍生碳材料在電催化氧還原領(lǐng)域的最新研究成果。該工作報(bào)道了一種精準(zhǔn)吡啶-N活性位點(diǎn)的氮摻雜碳球的創(chuàng)新型制備方法，并研究了其電催化氧還原的性能及機(jī)理。論文第一作者為三峽大學(xué)青年教師鄭勇，論文通訊作者為三峽大學(xué)葉立群教授。

圖文摘要

背景介紹

綠色和可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)本質(zhì)上需要智能設(shè)計(jì)對(duì)氧還原反應(yīng)（ORR）具有高性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的非金屬催化劑。優(yōu)化具有豐富且均勻分布的氮（N）型活性位點(diǎn)的碳納米材料為提高ORR提供了更多優(yōu)勢(shì)。然而，使用當(dāng)前的方法/技術(shù)設(shè)計(jì)具有明確定義的N 摻雜活性位點(diǎn)的催化劑極具挑戰(zhàn)性。本文研究提出一種合理的溶劑熱策略來(lái)合成共價(jià)三嗪聚合物（CTP），該聚合物作為理想的“一體”前體，可通過(guò)隨后的熱解制備高吡啶N摻雜含量的非金屬氧還原電催化劑。

由于豐富且精確構(gòu)建的吡啶-N活性位點(diǎn)，新制備的N摻雜碳球（N/N-CS）催化劑對(duì)ORR具有優(yōu)異的催化活性，具有高半波電位（E1/2=0.865V vs. RHE），對(duì)甲醇具有優(yōu)異的耐受性和良好的長(zhǎng)期性能。令人印象深刻的是，在將N/N-CS電極用作一次鋅空氣電池的正極材料時(shí)，N/N-CS電極的峰值功率密度（約148mW cm-2）優(yōu)于商業(yè)Pt/C電催化劑（約123mW cm-2)。這項(xiàng)工作提供了一種創(chuàng)新和高效的方法，用于合成具有精確控制的活性位點(diǎn)的非金屬電催化劑，為各種能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)提供了顯著催化能力。

本文亮點(diǎn)

1. 采用簡(jiǎn)單高效的溶劑熱熱解轉(zhuǎn)化方法制備了吡啶-N為主導(dǎo)的碳球(N/N-CS)；

2. N/N-CS表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原反應(yīng)(ORR)電催化活性，具有超高半波電位(E1/2= 0.865 V vs. RHE)和良好的甲醇耐受性；

3. N/N-CS可作為高性能鋅-空氣電池的空氣正極材料；

4. 采用N/N-CS為空氣陰極組裝鋅-空氣電池具有良好的放電性能，功率密度為148mW cm -2，優(yōu)于商用Pt/C (127 mW cm -2)。

圖文導(dǎo)讀

圖1. N摻雜碳球的制備示意圖。

圖2. (a) O/N-CS和(b)N/N-CS的SEM圖像，(c)O/N-CS和(d) N/N-CS的C、N和O的TEM圖像和EDS圖。

圖3.(a) FT-IR光譜，(b)固態(tài)13C NMR光譜，(c) XRD譜圖，(d) N-CTP和O-CTP的XPS高分辨率N 1s光譜。

圖4. (a) XPS測(cè)量光譜，(b) 高分辨率XPS N1s，(c) XRD 圖案，(d)拉曼光譜，(e)氮吸附/解吸等溫線(xiàn)，(f) N/N-的孔徑分布CS 和O/N-CS。

圖5. (a)O/N-CS、N/N-CS和Pt/C在0.1M O2飽和KOH中轉(zhuǎn)速為1600 rpm時(shí)的LSV曲線(xiàn)，(b)LSV曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)催化劑的Tafel圖，(c)在800~2400轉(zhuǎn)/分不同轉(zhuǎn)速下，0.1M O2飽和KOH中N/N-CS的LSV曲線(xiàn)，(d)0.60~0.80 V電流密度下N/N-CS的K-L圖，(e)Pt/C和N/N-CS在0.1 M O2飽和KOH中加入1M甲醇，轉(zhuǎn)速為1600 rpm時(shí)的時(shí)程電流響應(yīng)，(f) Pt/C和N/N-CS在1600轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速下的耐久性。

圖6. (a)一次鋅空氣電池的示意圖，(b)分別使用Pt/C和N/N-CS作為空氣電極的一次鋅空氣電池的放電極化和功率密度曲線(xiàn)，(c)分別為N/N-CS和基準(zhǔn)Pt/C空氣電極的比容量圖，(d) N/N-CS和Pt/C空氣電極在10、20、30、40、50和10 mA cm-2的不同放電電流密度下的倍率性能。

全文小結(jié)

這項(xiàng)工作為合理設(shè)計(jì)和制造活性位點(diǎn)可控的雜原子摻雜碳材料提供了一條途徑，這對(duì)金屬空氣電池、燃料電池和其他能量轉(zhuǎn)換裝置具有吸引力。作者相信制備吡啶-N主導(dǎo)的N摻雜納米碳的策略將是通用的，并將激發(fā)這個(gè)新興領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。這項(xiàng)工作為實(shí)際應(yīng)用中鋅空氣電池電極材料的設(shè)計(jì)制備開(kāi)辟了廣闊的前景。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

審核編輯：劉清