氮、硫共掺杂的碳负载的钴@碳化钴:一种高效的非贵金属氧还原电催化剂

申海波 江浩 刘易斯 郝佳瑜 李文章 李洁

引用本文: 申海波,  江浩,  刘易斯,  郝佳瑜,  李文章,  李洁. 氮、硫共掺杂的碳负载的钴@碳化钴:一种高效的非贵金属氧还原电催化剂[J]. 物理化学学报, 2017, 33(9): 1811-1821. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704264 shu
Citation:  SHEN Hai-Bo,  JIANG Hao,  LIU Yi-Si,  HAO Jia-Yu,  LI Wen-Zhang,  LI Jie. Cobalt@cobalt Carbide Supported on Nitrogen and Sulfur Co-Doped Carbon: an Efficient Non-Precious Metal Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(9): 1811-1821. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704264 shu

氮、硫共掺杂的碳负载的钴@碳化钴:一种高效的非贵金属氧还原电催化剂

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51474255),湖南省科技计划项目(2016TP1007),中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室开放基金和中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助

摘要: 规模化生产低成本和高效率的氧还原电催化剂在当今仍然是严峻的挑战。本文以三聚氰胺、三聚硫氰酸和硝酸钴作为原料,通过两步热解合成了一种新的氮、硫共掺杂的碳负载的钴@碳化钴(标记为MTC-0.1-900)氧还原催化剂。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱、比表面分析和X射线光电子能谱分析对该催化剂进行了表征,并采用循环伏安和线性扫描伏安曲线等方法测试其在0.1 mol·L-1KOH中的氧还原性能。结果显示,与商业Pt/C催化剂相比,MTC-0.1-900的起始电位和半波电位分别高出了29和5 mV。在-0.3 V(vs Ag/AgCl)电位下工作12000 s后,MTC-0.1-900催化剂的电流可达到起始电流的97.1%,高于Pt/C催化剂的76.7%,显示出该催化剂具有更稳定的性能。抗甲醇实验表明,MTC-0.1-900的对氧还原的选择性也要优于Pt/C。该催化剂优良的性能为金属空气电池阴极材料提供了一种减少或者取代Pt的新选择。

English

    1. [1]

      (1) Cui, Y.; Kuang, Y. J.; Zhang, X. H.; Liu, B.; Chen, J. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29 (5), 989. [崔颖, 匡尹杰, 张小华, 刘博, 陈金华. 物理化学学报, 2013, 29 (5), 989.]doi: 10.3866/PKU.WHXB201303121

    2. [2]

      (2) Du, C.; Gao, X.; Chen, W. Chin. J. Catal. 2016, 37 (7), 1049. doi: 10.1016/S1872-2067(15)61059-2

    3. [3]

      (3) Adina, M.; Bruno, J.; Serge, P. Energy Environ. Sci. 2011, 4 (4), 1238. doi: 10.1039/c0ee00601g

    4. [4]

      (4) Melke, J.; Peter, B.; Habereder, A.; Ziegler, J.; Fasel, C.; Nefedov, A.; Sezen, H.; Woll, C.; Ehrenberg, H.; Roth, C. ACS Appl. Mat. Interfaces 2016, 8 (1), 82. doi: 10.1021/acsami.5b06225

    5. [5]

      (5) Zhu, Z.; Zhai, Y.; Dong, S. ACS Appl. Mat. Interfaces 2014, 6(19), 16721. doi: 10.1021/am503689t

    6. [6]

      (6) Kuttiyiel, K. A.; Choi, Y. M.; Hwang, S. M.; Park, G. G.; Yang, T.H.; Su, D.; Sasaki, K.; Liu, P.; Adzic, R. R. Nano Energy 2015, 13, 442. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.03.007

    7. [7]

      (7) Lee, S.; Kwak, D. H.; Han, S. B.; Hwang, E. T.; Kim, M. C.; Lee, J. Y.; Lee, Y. W.; Park, K. W. Electrochim. Acta 2016, 191, 805. doi: 10.1016/j.electacta.2016.01.135

    8. [8]

      (8) Xiao, M.; Zhu, J.; Feng, L.; Liu, C.; Xing, W. Adv. Mater. 2015, 27 (15), 2521. doi: 10.1002/adma.201500262

    9. [9]

      (9) Gu, L.; Jiang, L.; Jin, J.; Liu, J.; Sun, G. Carbon 2015, 82, 572. doi: 10.1016/j.carbon.2014.11.010

    10. [10]

      (10) Liu, M.; Zhang, R.; Chen, W. Chem. Rev. 2014, 114 (10), 5117. doi: 10.1021/cr400523y

    11. [11]

      (11) Du, R.; Zhang, N.; Zhu, J.; Wang, Y.; Xu, C.; Hu, Y.; Mao, N.; Xu, H.; Duan, W.; Zhuang, L.; Qu, L.; Hou, Y.; Zhang, J. Small 2015, 11 (32), 3903. doi: 10.1002/smll.201500587

    12. [12]

      (12) Zheng, Y.; Jiao, Y.; Chen, J.; Liu, J.; Liang, J.; Du, A.; Zhang, W.; Zhu, Z.; Smith, S. C.; Jaroniec, M., LU; Qing, G.; Qiao, S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133 (50), 20116. doi: 10.1021/ja209206c

    13. [13]

      (13) Qu, K.; Zheng, Y.; Dai, S.; Qiao, S. Nano Energy 2016, 19, 373. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.11.027

    14. [14]

      (14) Gong, Y.; Fei, H.; Zou, X.; Zhou, W.; Yang, S.; Ye, G.; Liu, Z.; Peng, Z.; Lou, J.; Vajtai, R.; Yakobson, B. I.; Tour, J.; Ajayan, P.M. Chem. Mater. 2015, 27 (4), 1181. doi: 10.1021/cm5037502

    15. [15]

      (15) Gong, K.; Du, F.; Xia, Z.; DurstocK, M.; Dai, L. Science 2009, 323 (5915), 760. doi: 10.1126/science.1168049

    16. [16]

      (16) Wu, H.; Shi, L.; Lei, J.; Liu, D.; Qu, D.; Xie, Z.; Du, X.; Yang, P.; Hu, X.; Li, J.; Tang, H. J. Power Sources 2016, 323, 90. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.05.044

    17. [17]

      (17) Dou, S.; Shen, A.; Ma, Z.; Wu, J.; Tao, L.; Wang, S. J. Electroanal. Chem. 2015, 753, 21. doi: 10.1016/j.jelechem.2015.05.013

    18. [18]

      (18) Zhang, G.; Lu, W.; Cao, F.; Xiao, Z.; Zheng, X. J. Power Sources 2016, 302, 114. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.10.055

    19. [19]

      (19) Wen, Z.; Ci, S.; Zhang, F.; Feng, X.; Cui, S.; Mao, S.; Luo, S.; He, Z.; Chen, J. Adv. Mater. 2012, 24 (11), 1399. doi: 10.1002/adma.201104392

    20. [20]

      (20) Xia, W.; Zou, R.; An, L.; Xia, D.; Guo, S. Energy Environ. Sci. 2015, 8 (2), 568. doi: 10.1039/C4EE02281E

    21. [21]

      (21) Yu, J.; Chen, G.; Sunarso, J.; Zhu, Y.; Ran, R.; Zhu, Z.; Zhou, Z. Adv. Sci. 2016, 3 (9), 1600060. doi: 10.1002/advs.201600060

    22. [22]

      (22) Deng, D.; Yu, L.; Chen, X.; Wang, G.; Jin, L.; Pan, X.; Sun, J.; Deng, G.; Bao, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52 (1), 371. doi: 10.1002/anie.201204958

    23. [23]

      (23) Wang, Y.; Wang, X.; Antonietti, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51 (1), 68. doi: 10.1002/anie.201101182

    24. [24]

      (24) Lee, J.; Park, G.; Kim, S.; Liu, M.; Cho, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 125 (3), 1060. doi: 10.1002/ange.201207193

    25. [25]

      (25) Wang, Y.; Liu, Q.; Zhang, L.; Hu, T.; Liu, W.; Liu, N.; Du, F.; Li, Q.; Wang, Y. Int. J. Hydrog. Energy 2016, 41 (47), 22547. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.05.287

    26. [26]

      (26) Ratha, S.; Samantara, A. K.; Rout, C. S.; Jena, B. K. J. Solid State Chem. 2015, 20 (1), 285. doi: 10.1007/s10008-015-3035-0

    27. [27]

      (27) Yang, Z.; Lin, L.; Liu, Y.; Zhou, X.; Yuan, C.; Xu, A. RSC Adv. 2016, 6 (58), 52937. doi: 10.1039/C6RA05523K

    28. [28]

      (28) Kong, A.; Mao, C.; Lin, Q.; Wei, X.; Bu, X.; Feng, P. Dalton T. 2015, 44 (15), 6748. doi: 10.1039/c4dt03726j

    29. [29]

      (29) Hu, H.; Han, L.; Yu, M.; Wang, Z.; Lou, X. Energy Environ. Sci. 2016, 9 (1), 107. doi: 10.1039/c5ee02903a

    30. [30]

      (30) Wu, Z.; Chen, P.; Wu, Q.; Yang, L.; Pan, Z.; Wang, Q. Nano Energy 2014, 8, 118. doi: 10.1016/j.nanoen.2014.05.019

    31. [31]

      (31) Han, C.; Bo, X.; Zhang, Y.; Li, M.; Nsabimana, A.; Guo, L. Nanoscale 2015, 7 (13), 5607. doi: 10.1039/C4NR07571D

    32. [32]

      (32) Qiao, X.; Liao, S.; Wang, G.; Zheng, R.; Song, H.; Li, X. Carbon 2016, 99, 272. doi: 10.1016/j.carbon.2015.12.034

    33. [33]

      (33) Zhong, H.; Wang, J.; Zhang, Y.; Xu, W.; Xing, W.; Xu, D.; Zhang, Y.; Zhang, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53 (51), 14235. doi: 10.1002/anie.201408990

    34. [34]

      (34) Wu, Z.; Xu, X.; Hu, B.; Liang, H.; Lin, Y.; Chen, L.; Yu, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54 (28), 8179. doi: 10.1002/anie.201502173

    35. [35]

      (35) Jin, H.; Zhang, H.; Zhong, H.; Zhang, J. Energy Environ. Sci. 2011, 4 (9), 3389. doi: 10.1039/C1EE01437D

    36. [36]

      (36) Yazdi, A. Z.; Roberts, E. P. L.; Sundararaj, U. Carbon 2016, 100, 99. doi: 10.1016/j.carbon.2015.12.096

    37. [37]

      (37) Zhang, R.; Chen, W. Sci. Bull. 2015, 60 (5), 522. doi: 10.1007/s11434-015-0740-0

    38. [38]

      (38) Gao, X.; Lu, Y.; Zhang, R.; He, S.; Ju, J.; Liu, M.; Li, L.; Chen, W. J. Mater. Chem. A 2015, 3 (10), 2302. doi: 10.1039/C4TC02582B

    39. [39]

      (39) Tian, C. X.; Yang, J.; Li, L.; Zhang, X. H.; Chen, J. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32 (6), 1473. [田春霞, 杨军帅, 李 丽, 张小华, 陈金华. 物理化学学报, 2016, 32 (6), 1473.]doi: 10.3866/PKU.WHXB201603112

    40. [40]

      (40) Zhang, X. H.; Zhong, J. D.; Yu, Y. M.; Zhang, Y. S.; Liu, B.; Chen, J. H. Acta Phys. -Chim Sin. 2013, 29 (6), 1297. [张小华, 钟金娣, 于亚明, 张云松, 刘博, 陈金华. 物理化学学报, 2013, 29 (6), 1297.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201304011

    41. [41]

      (41) Liu, Y.; Li, J.; Li, W.; Li, Y.; Chen, Q.; Zhan, F. J. Power Sources 2015, 299, 492. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.09.042

    42. [42]

      (42) Sun, T.; Xu, L.; Li, S.; Chai, W.; Huang, Y.; Yan, Y.; Chen, J. Appl. Catal. B 2016, 193, 1. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.04.006

    43. [43]

      (43) (Zhang, R.; Zhang, C.; Chen, W. J. Mater. Chem. A 2016, 4 (48), 18723. doi: 10.1039/C6TA08363C

    44. [44]

      (44) Sun, H.; Sun, X.; Hu, T.; Yu, M.; Lu, F.; Lian, J. J. Phys. Chem. C 2014, 118 (5), 2263. doi: 10.1021/jp408021m

    45. [45]

      (45) Li, J.; Zhou, Z.; Liu, K.; Li, F.; Peng, Z.; Tang, Y.; Wang, H. J. Power Sources 2017, 343, 30. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.01.018

    46. [46]

      (46) Ji, G. B.; Tang, S. L.; Ren, S. K.; Zhang, F. M.; Gu, B. X.; Du, Y.W. J. Cryst. Growth 2004, 270 (1-2), 156. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2004.06.025

    47. [47]

      (47) Yuan, H.; Wang, Y.; Zhou, S.; Liu, L.; Chen, X.; Lou, S.; Yuan, R.; Hao, Y.; Li, N. Nanoscale Res. Lett. 2010, 5 (11), 1817. doi: 10.1007/s11671-010-9718-7

    48. [48]

      (48) Khassin, A. A.; Yurieva, T. M.; Kaichev, V. V.; Bukhtiyarov, V. I.; Budneva, A. A.; Paukshtis, E. A.; Parmon, V. N. J. Mol. Catal. A: Chem. 2001, 175 (1), 189. doi: 10.1016/S1381-1169(01)00216-3

    49. [49]

      (49) Luo, Z.; Irtem, E.; Ibáñez, M.; Nafria, R.; Martí-Sánchez, S.; GenÇ, A.; De, L. M. M.; Liu, Y.; Cadavid, D.; Llorca, J. ACS Appl. Mat. Interfaces 2016, 8 (27), 17435. doi: 10.1021/acsami.6b02786

    50. [50]

      (50) Liang, J.; Jiao, Y.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 124 (46), 11640. doi: 10.1002/anie.201206720

    51. [51]

      (51) Wu, Z.; Wang, J.; Han, L.; Lin, R.; Liu, H.; Xin, H. L.; Wang, D. Nanoscale 2016, 8 (8), 4681. doi: 10.1039/c5nr07929b

    52. [52]

      (52) Zhang, S.; Zhang, H.; Liu, Q.; Chen, S. J. Mater. Chem. A 2013, 1 (10), 3302. doi: 10.1039/c2ta01351g

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  703
  • HTML全文浏览量:  47
文章相关
  • 发布日期:  2017-04-26
  • 收稿日期:  2017-02-20
  • 修回日期:  2017-04-15
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