Citation: Suzhen Ren, Yanan Guo, Shaobo Ma, Qing Mao, Dandan Wu, Ying Yang, Hongyu Jing, Xuedan Song, Ce Hao. Co3O4 nanoparticles assembled on polypyrrole/graphene oxide for electrochemical reduction of oxygen in alkaline media[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(7): 1281-1290. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62846-8
Co3O4/聚吡咯/石墨烯碱性溶液中电化学还原氧
由于石墨烯具有独特的形貌、较大的比表面积和良好的导电性,其表面含有功能化的官能团,所以我们选择石墨烯作为碳载体.首先,用改性休克尔方法合成了氧化石墨烯(GO),为了提高其催化活性,采用聚吡咯作为氮源对其进行了氮掺杂,制备了聚吡咯/氧化石墨烯(Ppy/GO).通过ORR催化性能测试发现,GO对ORR具有一定的催化活性,它的起始电位和阴极电流电位分别为-0.31 V vs SCE和-0.38 V vs SCE;Ppy/GO的起始电位和阴极电流电位分别为-0.20 V vs SCE和-0.38 Vvs SCE,氮掺杂对GO的催化活性有所提高.
采用水热法沉积氧化钴合成了Co3O4/聚吡咯/氧化石墨烯(Co3O4/Ppy/GO).其形貌为Co3O4分散在氮掺杂GO表面.在KOH电解质(0.1 mol/L)中测试,Co3O4/Ppy/GO的起始电位和阴极电流电位分别为-0.20 V和-0.38 V vs SCE.经过800℃高温煅烧处理后,Co3O4/Ppy/GO-800的催化活性明显提高,起始电位和阴极电流电位分别达到-0.10 V和-0.18 V vs SCE.ORR电子转移数为3.4,接近于4电子反应途径.Co3O4/Ppy/GO对ORR的催化活性及4电子催化选择性较高,可能是由于纳米形态的Co3O4和Ppy/GO之间具有较强的表面作用力,聚吡咯掺杂的氧化石墨烯具有较强的电子储存及释放能力.
综上,我们通过水热法制备了钴、氮共掺杂的GO,并研究了其对ORR的催化活性和电子转移选择性.结果表明Co3O4/Ppy/GO是一种高效的非贵金属电催化剂,在碱性电解质中具有很高的ORR催化活性,在燃料电池阴极催化剂方面很有前景.
English
Co3O4 nanoparticles assembled on polypyrrole/graphene oxide for electrochemical reduction of oxygen in alkaline media
-
-
[1] J. R. Varcoe, P. Atanassov, D. R. Dekel, A. M. Herring, M. A. Hickner, P. A. Kohl, A. R. Kucernak, W. E. Mustain, K. Nijmeijer, K. Scott, T. W. Xu, L. Zhuang, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 3135-3191.
-
[2] J. R. Varcoe, R. C. T. Slade, Fuel Cells, 2005, 5, 187-200.
-
[3] C. Chen, Y. L. S. Tse, G. E. Lindberg, C. Knight, G. A. Voth, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 991-1000.
-
[4] X. M. Ge, A. Sumboja, D. Wuu, T. An, B. Li, F. W. Thomas Goh, T. S. Andy Hor, Y. Zong, Z. L. Liu, ACS Catal., 2015, 5, 4643-4667.
-
[5] D. Strmcnik, M. Uchimura, C. Wang, R. Subbaraman, N. Danilovic, D. van der Vliet, A. P. Paulikas, V. R. Stamenkovic, N. M. Markovic, Nat. Chem., 2013, 5, 300-306.
-
[6] H. A. Gasteiger, N. M. Markovic, Science, 2009, 324, 48-49.
-
[7] G. Wu, K. L. More, C. M. Johnston, P. Zelenay, Science, 2011, 332, 443-447.
-
[8] R. Bashyam, P. Zelenay, Nature, 2006, 443, 63-66.
-
[9] Q. G. He, E. J. Cairns, J. Electrochem. Soc., 2015, 162, F1504-F1539.
-
[10] M. H. Shao, Q. W. Chang, J. P. Dodelet, R. Chenitz, Chem. Rev., 2016, 116, 3594-3657.
-
[11] R. J. Jasinski, Nature, 1964, 201, 1212-1213.
-
[12] Y. Y. Liang, Y. G. Li, H. L. Wang, J. G. Zhou, J. Wang, T. Regier, H. J. Dai, Nat. Mater., 2011, 10, 780-786.
-
[13] F. Bonaccorso, L. Colombo, G. H. Yu, M. Stoller, V. Tozzini, A. C. Ferrari, R. S. Ruoff, V. Pellegrini, Science, 2015, 347, 1246501.
-
[14] D. H. Guo, R. Shibuya, C. Akiba, S. Saji, T. Kondo, J. Nakamura, Science, 2016, 351, 361-365.
-
[15] K. P. Gong, F. Du, Z. H. Xia, M. Durstock, L. M. Dai, Science, 2009, 323, 760-764.
-
[16] K. Wan, G. F. Long, M. Y. Liu, L. Du, Z. X. Liang, P. Tsiakaras, Appl. Catal. B, 2015, 165, 566-571.
-
[17] X. H. Li, K. Wan, Q. B. Liu, J. H. Piao, Y. Y. Zheng, Z. X. Liang, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1562-1567.
-
[18] G. F. Long, X. H. Li, K. Wan, Z. X. Liang, J. H. Piao, P. Tsiakaras, Appl. Catal. B, 2017, 203, 541-548.
-
[19] K. Wan, M. Y. Liu, Z. P. Yu, Z. X. Liang, Q. B. Liu, J. H. Piao, Y. Y. Zheng, Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41, 18027-18032.
-
[20] G. F. Long, K. Wan, M. Y. Liu, X. H. Li, Z. X. Liang, J. H. Piao, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1197-1204.
-
[21] H. W. Liang, W. Wei, Z. S. Wu, X. L. Feng, K. Müllen, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 16002-16005.
-
[22] X. G. Fu, J. Y. Choi, P. Zamani, G. P. Jiang, M. A. Hoque, F. M. Hassan, Z. W. Chen, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 6488-6495.
-
[23] L. B. Lü, T. N. Ye, L. H. Gong, K. X. Wang, J. Su, X. H. Li, J. S. Chen, Chem. Mater., 2015, 27, 544-549.
-
[24] T. T. Sun, L. B. Xu, S. Y. Li, W. X. Chai, Y. Huang, Y. S. Yan, J. F. Chen, Appl. Catal. B, 2016, 193, 1-8.
-
[25] L. L. Fu, Y. J. Lu, Z. G. Liu, R. L. Zhu, Chin. J. Catal., 2016, 37, 398-404.
-
[26] Q. G. He, Q. Li, S. Khene, X. M. Ren, F. E. López-Suárez, D. Lozano-Castelló, A. Bueno-Ló pez, G. Wu, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 8697-8707.
-
[27] Z. Shi, H. S. Liu, K. Lee, E. Dy, J. Chlistunoff, M. Blair, P. Zelenay, J. J. Zhang, Z. S. Liu, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 16672-16680.
-
[28] S. J. Guo, S. Zhang, L. H. Wu, S. H. Sun, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 11770-11773.
-
[29] K. X. Liu, S. Kattel, V. Mao, G. F. Wang, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 1586-1596.
-
[30] F. Jaouen, M. Lefèvre, J. P. Dodelet, M. Cai, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 5553-5558.
-
[31] F. Jaouen, J. P. Dodelet, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 5963-5970.
-
[32] W. Wei, G. Wang, S. Yang, X. L. Feng, K. Müllen, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 5576-5581
-
[33] L. T. Qu, Y. Liu, J. B. Baek, L. M. Dai, ACS Nano, 2010, 4, 1321-1326.
-
[34] M. Yuasa, A. Yamaguchi, H. Itsuki, K. Tanaka, M. Yamamoto, K. Oyaizu, Chem. Mater., 2005, 17, 4278-4281.
-
[35] S. Z. Ren, S. B. Ma, Y. Yang, Q. Mao, C. Hao, Electrochim. Acta, 2015, 178, 179-189.
-
[36] W. S. Hummers Jr., R. E. Offeman, J. Am. Chem. Soc., 1958, 80, 1339.
-
[37] A. J. Bard, L. R. Faulkner, Electrochemical Methods:Fundamentals and Applications, 2nd ed., John Wiley & Sons, New York, 2001, 340-341.
-
[38] P. Subramanian, A. Schechter, J. Electrochem. Soc., 2016, 163, F428-F436.
-
[39] K. Lee, M. S. Ahmed, S. Jeon, J. Electrochem. Soc., 2015, 162, F1-F8.
-
[40] C. Z. Zhang, R. Hao, H. B. Liao, Y. L. Hou, Nano Energy, 2013, 2, 88-97.
-
[41] J. B. Xu, P. Gao, T. S. Zhao, Energy Environ. Sci., 2012, 5, 5333-5339.
-
[42] F. Svegl, B. Orel, M. G. Hutchins, K. Kaicher, J. Electrochem. Soc.,1996, 143, 1532-1539.
-
[43] F. Gong, X. Xu, G. Zhou, Z. S. Wang, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 546-552.
-
[44] X. J. Lu, H. Dou, C. Z. Yuan, S. D. Yang, L. Hao, F. Zhang, L. F. Shen, L. J. Zhang, X. G. Zhang, J. Power Sources, 2012, 197, 319-324.
-
[45] G. Cho, B. M. Fung, D. T. Glatzhofer, J. S. Lee, Y. G. Shul, Langmuir, 2001, 17, 456-461.
-
[46] L. Yan, B. X. Zhao, X. H. Liu, X. Li, C. Zeng, H. Y. Shi, X. X. Xu, T. Lin, L. M. Dai, Y. Liu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 6834-6840.
-
[47] W. Cheng, R. G. Compton, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 7082-7085.
-
[48] Z. Yang, Z. Yao, G. F. Li, G. Y. Fang, H. G. Nie, Z. Liu, X. M. Zhou, X. A. Chen, S. M. Huang, ACS Nano, 2012, 6, 205-211.
-
[49] Z. Y. Lin, G. H. Waller, Y. Liu, M. L. Liu, C. P. Wong, Carbon, 2013, 53, 130-136.
-
[50] R. L. Liu, D. G. Wu, X. L. Feng, K. Müllen, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 2565-2569.
-
[51] K. J. J. Mayrhofer, D. Strmcnik, B. B. Blizanac, V. Stamenkovic, M. Arenz, N. M. Markovic, Electrochim. Acta, 2008, 53, 3181-3188.
-
[52] N. Wakabayashi, M. Takeichi, M. Itagaki, H. Uchida, M. Watanabe, J. Electroanal. Chem., 2005, 574, 339-346.
-
[53] G. V. Zhutaeva, V. A. Bogdanovskaya, E. S. Davydova, L. P. Kazanskii, M. R. Tarasevich, J. Solid State Electrochem., 2014, 18, 1319-1334.
-
[54] L. H. Jiang, Q. W. Tang, J. Liu, G. Q. Sun, Chin. J. Catal., 2015, 36, 175-180.
-
[55] F. Jaouen, J. P. Dodelet, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 15422-15432.
-
-
扫一扫看文章
计量
- PDF下载量: 2
- 文章访问数: 1532
- HTML全文浏览量: 189

下载: