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韩国庆熙大学SungJong Yoo课题组--设计Co-NC作为高效电催化剂:质子交换膜燃料电池具有独特的结构和活性位点,具有显著的耐用性
        Fe-N-C催化剂是用于质子交换膜燃料电池的氧还原反应的铂族催化剂的有希望的替代品。然而,与非贵金属催化剂相比,Fe-N-C 催化剂的耐久性较差,因为它们通过芬顿反应加速了脱金属。在这项研究中,我们报告了三聚氰胺封装的 Co-ZnO-C 复合材料的合成,该复合材料作为沸石-咪唑框架 (ZIF-8) 的前体和模板。这种方法允许形成 Co-N-C,以在中孔和大孔尺度上构建独特的结构,同时保持微孔性。密度泛函理论分析证实了 Co-N-C 催化剂优于其他 M-N-C 催化剂(M = Fe、Ni、Cr 和 Mn)的稳定性。此外,它揭示了 Co-N4 部分和有机加合物之间的封闭相互作用增强了亲氧性,这更喜欢 4 电子 ORR 活性。具有发达孔隙结构的 Co-NC 催化剂显示出显着的耐久性(100 小时性能下降 6.7%)和在 1 bar 背压(最大功率密度为 723 mW/cm2)下的 H2/O2 中的全电池性能。因此,合成催化剂的独特结构成功地转化为半电池中计算确定的 ORR 活性;在实际设备操作和稳定性分析中可以看到卓越的耐用性。这项工作有望支持下一代燃料电池的开发。
 
  
Figure 1. (a) 喷雾热解、假晶态复制(转化为MOF)和900°C碳化合成ma-Co-NC(三聚氰胺添加Co-NC)和对Co-NC(原始Co-NC)的示意图。 三聚氰胺在喷雾热解过程中部分分解,在碳化过程中完全分解。(b) ma-Co-NC 和 (c) p-Co-NC 的 SEM 图像。
 
 
Figure 2. (a)ma-Co-NC和(b)p-Co-NC的HADDF-TEM图像及其钴,氮和碳的元素映射图像。(c) HADDF-STEM图像和(d)原子尺寸水平上ma-Co-NC的放大图像。
 
 
Figure 3. (a) 氮等温线图和 (b) ma-Co-NC 和 p-Co-NC 的孔径分布图的结构特性,孔径分布图使用水银孔隙率计测量。 (c) XAS 光谱 Co K 边缘 XANES 和 (d) ma-Co-NC 和 p-Co-NC 的实验 EXAFS 光谱和拟合光谱。 (点代表实验光谱,线代表拟合光谱)。
 

Figure 4. (a) ma-Co-NC 和 p-Co-NC 在 O2 饱和的 0.5 M H2SO4 电解液中的 ORR 极化图(扫描速率为 5 mV/s)。 (b) ma-Co-NC 的 H2O2 产率和电子传输数。 (c) ma-Co-NC、p-Co-NC 和 ma-Fe-NC(原子分散的 Fe-NC)在电位循环测试前后的半波电位比较。 (d) ma-Co-NC、p-Co-NC 和 ma-Fe-NC 的 H2/O2 燃料电池性能。
 
 
Figure 5. (a) ma-Co-NC 和商业 Pt/C 在 0.7 V 恒定电位下 100 小时内的单电池耐久性测试。 (b) p-Co-NC、ma-Co-NC和ma-Fe-NC稳定性测试前后的单电池性能退化和金属溶解率。 (c) 从 TM-N4 活性位点计算的每个过渡金属离子的脱金属能。 (d) 过渡金属基催化剂与耐久性相关的燃料电池性能比较(耐久性因子 = 1/(损失%/小时))

 
Figure 6. (a) 计算裸 Co-N4 和 Fe-N4 活性位点的缔合 ORR 途径的自由能分布。 (b) 轴向配位对 *OOH 结合强度的影响取决于化学种类和距离。 (c) 为每个具有最大或最小 *OOH 结合能的轴向配位结构计算的自由能分布。 (d) Co活性位点的自旋密度与*OOH结合能之间的相关性。 (e) 基于晶体场理论的轴配位结构分子轨道示意图。
  
        相关研究工作由韩国庆熙大学Sung Jong Yoo课题组于2022年在线发表于《Applied Catalysis B: Environmental》期刊上,原文:Design of Co-NC as efficient electrocatalyst: The unique structure and active site for remarkable durability of proton exchange membrane fuel cells。

转自《石墨烯研究》公众号

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