S掺杂促进Fe/N/C催化剂氧还原活性的实验与理论研究

陈驰 张雪 周志有 张新胜 孙世刚

引用本文: 陈驰,  张雪,  周志有,  张新胜,  孙世刚. S掺杂促进Fe/N/C催化剂氧还原活性的实验与理论研究[J]. 物理化学学报, 2017, 33(9): 1875-1883. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705088 shu
Citation:  CHEN Chi,  ZHANG Xue,  ZHOU Zhi-You,  ZHANG Xin-Sheng,  SUN Shi-Gang. Experimental Boosting of the Oxygen Reduction Activity of an Fe/N/C Catalyst by Sulfur Doping and Density Functional Theory Calculations[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(9): 1875-1883. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705088 shu

S掺杂促进Fe/N/C催化剂氧还原活性的实验与理论研究

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21373175和21621091)资助项目

摘要: 向Fe/N/C非贵金属催化剂中再引入S掺杂是进一步提高其氧还原催化活性的有效方法。为了探究活性提高的原因,本文以三聚氰胺-甲醛树脂为前驱体,氯化钙为模板,氯化铁为铁源,通过添加硫氰化钾(KSCN)来控制热解催化剂的S掺杂量。通过对比分析催化剂的物化性质,结合密度泛函理论(DFT)计算,分析S掺杂促进Fe/N/C催化剂氧还原活性的原因。透射电子显微镜(TEM)和N2吸脱附等温线测试结果表明,S元素可抑制含铁纳米粒子的形成,促使形成多孔碳结构,提高比表面积。X射线光电子能谱(XPS)结果表明,适量S前驱体可实现较高的S掺杂含量,得到最优的活性,过量的S反而会导致Fe和S的掺杂量同时降低,影响活性。DFT计算结果表明在Fe-N4大环中引入S掺杂,可增强O2分子和中间体OOH与Fe-N4结构中的Fe的相互作用,促进形成Fe―O键,从而导致O―O键的键能显著降低,为后续反应O―O键的断裂提供可能,促进ORR反应的进行。

English

    1. [1]

      (1) Wang, Y.; Chen, K. S.; Mishler, J.; Cho, S. C.; Adroher, X. C. Appl. Energy 2011, 88, 981. doi: 10.1016/j.apenergy.2010.09.030

    2. [2]

      (2) Guo, S. J.; Zhang, S.; Sun, S. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52,8526. doi: 10.1002/anie.201207186

    3. [3]

      (3) Morozan, A.; Jousselme, B.; Palacin, S. Energ. Environ. Sci. 2011, 4,1238. doi: 10.1039/c0ee00601g

    4. [4]

      (4) Shao, M. H.; Chang, Q. W.; Dodelet, J. P.; Chenitz, R. Chem. Rev. 2016, 116, 3594. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00462

    5. [5]

      (5) Lefèvre, M.; Proietti, E.; Jaouen, F.; Dodelet, J. P. Science 2009, 324,71. doi: 10.1126/science.1170051

    6. [6]

      (6) Proietti, E.; Jaouen, F.; Lefèvre, M.; Larouche, N.; Tian, J.; Herranz,J.; Dodelet, J. P. Nat. Commun. 2011, 2, 416. doi: 10.1038/ncomms1427

    7. [7]

      (7) Tian, J.; Morozan, A.; Sougrati, M. T.; Lefèvre, M.; Chenitz, R.; Dodelet, J. P.; Jones, D.; Jaouen, F. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52,6867. doi: 10.1002/anie.201303025

    8. [8]

      (8) Tao, L.; Wang, Q.; Dou, S.; Ma, Z. L.; Huo, J.; Wang, S. Y.; Dai, L.M. Chem. Commun. 2016, 2764. doi: 10.1039/c5cc09173j

    9. [9]

      (9) Choi, C. H.; Chung, M. W.; Park, S. H.; Woo, S. I. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 1802. doi: 10.1039/c2cp44147k

    10. [10]

      (10) Wang, S. Y.; Zhang, L. P.; Xia, Z. H.; Roy, A.; Chang, D. W.; Baek,J. B.; Dai, L. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 4209.doi: 10.1002/anie.201109257

    11. [11]

      (11) Xue, Y. Z.; Wu, B.; Bao, Q. L.; Liu, Y. Q. Small 2014, 10, 2975.doi: 10.1002/smll.201400706

    12. [12]

      (12) Zheng, Y.; Jiao, Y.; Ge, L.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 125, 3192. doi: 10.1002/anie.201209548

    13. [13]

      (13) Tylus, U.; Jia, Q. Y.; Strickland, K.; Ramaswamy, N.; Serov, A.; Atanassov, P.; Mukerjee, S. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 8999.doi: 10.1021/jp500781v

    14. [14]

      (14) Wu, G.; More, K. L.; Johnston, C. M.; Zelenay, P. Science 2011, 332,443. doi: 10.1126/science.1200832

    15. [15]

      (15) Wang, Q.; Zhou, Z. Y.; Lai, Y. J.; You, Y.; Liu, J. G.; Wu, X. L.; Terefe, E.; Chen, C.; Song, L.; Rauf, M.; Tian, N.; Sun, S. G. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 10882. doi: 10.1021/ja505777v

    16. [16]

      (16) Wang, Y. C.; Lai, Y. J.; Song, L.; Zhou, Z. Y.; Liu, J. G.; Wang, Q.; Yang, X. D.; Chen, C.; Shi, W.; Zheng, Y. P.; Rauf, M.; Sun, S. G.Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9907. doi: 10.1002/anie.201503159

    17. [17]

      (17) Ferrandon, M.; Kropf, A. J.; Myers, D. J.; Artyushkova, K.; Kramm,U.; Bogdanoff, P.; Wu, G.; Johnston, C. M.; Zelenay, P. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 16001. doi: 10.1021/jp302396g

    18. [18]

      (18) Liang, J.; Jiao, Y.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 11496. doi: 10.1002/anie.201206720

    19. [19]

      (19) Kattel, S.; Wang, G. F. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 10790.doi: 10.1039/c3ta12142a

    20. [20]

      (20) Wu, G.; Santandreu, A.; Kellogg, W.; Gupta, S.; Ogoke, O.; Zhang,H. G.; Wang, H. L.; Dai, L. M. Nano Energy 2016, 29, 83.doi: 10.1016/j.nanoen.2015.12.032

    21. [21]

      (21) Yang, X. D.; Zheng, Y. P.; Yang, J.; Shi, W.; Zhong, J. H.; Zhang,C.K.; Zhang, X.; Hong, Y. H.; Peng, X. X.; Zhou, Z. Y.; Sun, S. G.ACS Catal. 2017, 7, 139. doi: 10.1021/acscatal.6b02702

    22. [22]

      (22) Zitolo, A.; Goellner, V.; Armel, V.; Sougrati, M. T.; Mineva, T.; Stievano, L.; Fonda, E.; Jaouen, F. Nat. Mater. 2015, 14, 937. doi: 10.1038/NMAT4367

    23. [23]

      (23) Chen, C.; Zhou, Z. Y.; Wang, Y. C.; Zhang, X.; Yang, X. D.; Zhang,X. S.; Sun, S. G. Chin. J. Catal. 2017, 38, 673.doi: 10.1016/S1872-2067(17)62807-9

    24. [24]

      (24) CP2K(Open Source Molecular Dynamics).Available online:http://www.cp2k.org (accessed on 4 May 2017).

    25. [25]

      (25) Goedecker, S.; Teter, M.; Hutter, J. Phys. Rev. B 1996, 54, 1703.doi: 10.1103/PhysRevB.54.1703

    26. [26]

      (26) Hartwigsen, C.; Goedecker, S.; Hutter, J. Phys. Rev. B 1998, 58,3641. doi: 10.1103/PhysRevB.58.3641

    27. [27]

      (27) Lippert, G.; Hutter, J.; Parrinello, M. Mol. Phys. 1997, 92, 477.doi: 10.1080/002689797170220

    28. [28]

      (28) Deng, D. H.; Yu, L.; Chen, X. Q.; Wang, G. X.; Jin, L.; Pan, X. L.; Deng, J.; Sun, G. Q.; Bao, X. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52,371. doi: 10.1002/anie.201204958

    29. [29]

      (29) Xiao, M. L.; Zhu, J. B.; Feng, L. G.; Liu, C. P.; Xing, W. Adv. Mater. 2015, 27, 2521. doi: 10.1002/adma.201500262

    30. [30]

      (30) Wohlgemuth, S. A.; White, R. J.; Willinger, M. G.; Titirici, M. M.; Antonietti, M. Green Chem. 2012, 14, 1515. doi: 10.1039/c2gc35309a

    31. [31]

      (31) Wu, M.; Wang, J.; Wu, Z. X.; Xin, H. L.; Wang, D. L. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 7727. doi: 10.1039/c4ta06323f

    32. [32]

      (32) Zhang, L. P.; Niu, J. B.; Li, M. T.; Xia, Z. H. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 3545. doi: 10.1021/jp410501u

    33. [33]

      (33) Zhang, L. P.; Xia, Z. H. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 11170.doi: 10.1021/jp201991j

    34. [34]

      (34) Wang, J.; Li, L.; Wei, Z. D. Acta. Phys.-Chim. Sin. 2016, 32,321. [王俊, 李莉, 魏子栋. 物理化学学报, 2016, 32, 321.]doi: 10.3866/PKU.WHXB201512091

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  855
  • HTML全文浏览量:  67
文章相关
  • 发布日期:  2017-05-08
  • 收稿日期:  2017-03-30
  • 修回日期:  2017-04-28
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章