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ChemCatChem:分级多孔碳锚定钴原子/团簇增强氧还原电催化2023-02-10
氧还原反应(ORR)在能源储存、污水处理和化工生产等方面具有重要作用。对于燃料电池和金属-空气电池,通过直接四电子转移ORR过程将氧气还原成水是非常需要的。然而,近年来,双电子转移ORR法作为蒽醌法生产H2O2的替代方法越来越受到重视。设计稳健的 ORR 电催化剂对于确定ORR过程的调控机理,使ORR反应途径更加可控具有重要意义。

华中科技大学环境学院FunMat课题组胡敬平教授团队与沈阳理工大学材料学院吕逍教授团队合作,采用硬模板法合成了层状多孔碳材料,三聚氰胺和 VB12分别作为氮源和钴源。在700 °C高温热解条件下,制备了钴/氮掺杂碳(Co/N-C)电催化剂。另一方面,首先合成了氮掺杂碳(N-C) ,然后通过去除N-C中的N原子在1050 °C 连续2 h制备了空位缺陷碳(V-C)。将VC与VB12混合后,在700 °C下热解制备钴/空位缺陷碳(Co/V-C)催化剂。

 

 

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图 1. Co-NC/N-C和Co-SA/V-C电催化剂的合成示意图

研究通过调整过渡金属在层状多孔碳上的几何尺寸和配位环境,优化催化剂对ORR的催化性能。分别在氮掺杂和空位缺陷层状多孔碳上合成了钴单原子和钴纳米团簇。结果发现,氮掺杂层状多孔碳上的钴纳米团簇具有较高的比表面积和较强的传质性能,对ORR具有较高的四电子选择性。它表现出0.854 V vs. RHE 的半波电位,这与商业Pt/C催化剂相当(0.852 V vs. RHE)。同时,与空位缺陷碳配合的单原子钴有利于氧的双电子还原为过氧化氢(H2O2)。它对双电子路径的选择性有明显的促进作用,H2O2选择性高达90%左右。工作表明,电催化剂之所以具有优异的ORR性能,是因为其催化活性中心的表面积较大,并且易通过大量的层状孔隙传质。然而,双/四电子ORR途径的选择性主要取决于过渡金属在层状多孔碳中的几何尺寸和配位环境。这一发现为合理设计层状多孔碳ORR电催化剂提供了策略。该方法为电化学能源应用提供了新型层状多孔碳的设计灵感。层状多孔碳无论是四电子还是双电子ORR途径可以通过有效地调整应用。

文信息

Hierarchical Porous Carbon Anchored Atomic/Clustered Cobalt for Boosting Oxygen Reduction Electrocatalysis

Prof. Xiao Lyu, Xiang Gu, Gen Li, Hao Chen, Prof. Huijie Hou, Prof. Jingping Hu

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202201192