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氧还原和析氧反应的双功能电催化剂--氮磷共掺碳负载四氧化三钴
  • ISSN号:0253-9837
  • 期刊名称:《催化学报》
  • 时间:0
  • 分类:O[理学]
  • 作者机构:[1]东莞理工学院广东省新型纳米材料工程技术研究中心,广东东莞523808, [2]华南理工大学化学与化工学院,广东广州510640
  • 相关基金:国家自然科学基金(21375016,20475022,21505019).
中文摘要:

金属-空气电池具备诸多优势,譬如绿色环保、能量转化率高、启动快速、能量密度高、使用寿命和干态存储时间长等.与燃料电池相比,金属-空气电池结构简单,放电电压平稳,成本低,但依然存在一些制约发展的问题,如阴极催化剂.阴极催化剂在金属-空气电池中发挥催化氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)和析氧反应(oxygen evolution reac-tion, OER)的关键作用.铂及其合金常用作 ORR的单功能催化剂,而钌和铱等是目前 OER催化效率最高的,但 ORR活性很低,因此需要开发出一种廉价而又具备双功能催化作用的催化剂.单异原子掺杂的碳基催化剂的研究集中在 ORR催化性能上,而多异原子共掺碳最近有研究表明具有双催化氧的性质,如氮磷共掺碳.在这些氮磷共掺的碳架中,氮磷共掺物起着 OER催化作用,掺氮物为 ORR催化的活性位点,而掺磷物起着强化作用.异原子掺杂负载的钴基催化剂(如掺氮还原氧化石墨烯载 Co3O4)是近年来双功能催化剂研究的另一个热点.钴基催化剂有着催化 ORR和 OER的多价价态,然而其本身导电性能差,这一缺陷可通过杂化石墨化碳来弥补,石墨化碳有着优良的导电性能.据我们所知,目前仍没有关于氮磷共掺碳负载的 Co3O4双催化氧的研究.我们合成了氮磷共掺碳(NPC)负载的 Co3O4(Co3O4/NPC),并首次探索了其氧还原和析氧性能. Co3O4/NPC合成分两步进行.首先通过三聚氰胺与植酸之间的酯化或缩聚覆盖在导电炭黑颗粒表面,在保护气氛下焙烧得到 NPC,然后经溶剂热反应以及空气中氧化合成 Co3O4/NPC.催化剂的性能综合考虑了催化活性和稳定性两方面.采用线性扫描伏安法评估了 OER和 ORR的催化活性.对于 OER, Co3O4/NPC的起始电势是0.54 V (以饱和甘汞电极为参比电极),在0.80 V时电流密度达到21.95 mA/cm2,均优于 Co3O4/C和 NPC. Co3O4/NPC的高效 OER催化可归因于氮磷?

英文摘要:

Noble metals, such as platinum, ruthenium and iridium‐group metals, are often used as oxygen reduction or evolution reaction (ORR/OER) electrocatalysts. To reduce the cost and provide an application of bifunctional catalysis, in this work, cobalt oxide supported on nitrogen and phospho‐rus co‐doped carbon (Co3O4/NPC) was fabricated and examined as a bifunctional electrocatalyst for OER and ORR. To prepare Co3O4/NPC, NPC was pyrolyzed from melamine and phytic acid support‐ed on carbon, followed by the solvothermal synthesis of Co3O4 on NPC. Linear sweep voltammetry was used to evaluate the activity for OER and ORR. For OER, Co3O4/NPC showed an onset potential of 0.54 V (versus the saturated calomel electrode) and a current density of 21.95 mA/cm2 at 0.80 V, which was better than both Co3O4/C and NPC. The high activity of Co3O4/NPC was attributed to a synergistic effect of the N, P co‐dopants and Co3O4. For ORR, Co3O4/NPC exhibited an activity close to commercial Pt/C in terms of the diffusion limited current density (–4.49 vs–4.76 mA/cm2 at–0.80 V), and Co3O4 played the key role for the catalysis. Chronoamperometry (current versus time) was used to evaluate the stability, which showed that Co3O4/NPC maintained 46%current after the chronoamperometry test for OER and 95% current for ORR. Overall, Co3O4/NPC exhibited high activity and improved stability for both OER and ORR.

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期刊信息
  • 《催化学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国化学会 中国科学院大连化学物理研究所
  • 主编:李灿 张涛
  • 地址:大连市沙河口区中山路457号
  • 邮编:116023
  • 邮箱:chxb@dicp.ac.cn
  • 电话:0411-84379240
  • 国际标准刊号:ISSN:0253-9837
  • 国内统一刊号:ISSN:21-1195/O6
  • 邮发代号:8-93
  • 获奖情况:
  • 第三届国家期刊奖提名奖,中国科协精品科技期刊示范项目
  • 国内外数据库收录:
  • 俄罗斯文摘杂志,美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国剑桥科学文摘,美国科学引文索引(扩展库),日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),英国英国皇家化学学会文摘,中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:19199