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梳理:北京化工大学马贵平团队在静电纺丝技术构建电催化剂上的研究

已有 848 次阅读 2019-3-26 15:18 |系统分类:科普集锦| 催化剂, 静电纺丝

可充电锌-空气电池由于其资源丰富,环境友好和较高的理论比能量(1086Wh/kg)等优势而受到广泛关注。然而,阴极氧还原反应(ORR)动力学的缓慢和复杂阻碍了它们的广泛应用。铂基催化剂虽然被认为是ORR的工业催化剂,但其成本高、耐久性差、甲醇交叉效应严重阻碍了其大规模应用。因此,人们致力于寻找经济有效的替代品,特别是过渡金属氧化物、金属氮化物、金属碳和非金属杂原子掺杂碳材料等非贵金属催化剂。下面,易丝帮梳理了北京化工大学马贵平团队近期在静电纺丝技术构建电催化剂上的研究。

1. 共掺杂糖葫芦状纳米纤维作为锌空气电池高效ORR电催化剂


北京化工大学马贵平老师团队采用静电纺丝法和ZIF-67原位生长技术制备了一种含金属Fe、Co及杂原子N、P的ZIF-67@PAN-HCCP-MIM-FeCl3核壳纤维,高温碳化后得到糖葫芦状纳米纤维
。内部的碳纳米纤维作为支撑,由Co2P和Fe5C2纳米颗粒作为催化活性位点,石墨碳作为“糖”保护颗粒不脱离。内芯与外层之间的通道间隙可以改善传质过程。Fe/Co-N/P-9由于其特殊的结构和独特的组成特点,在0.1 M KOH溶液中表现出良好的氧还原反应(ORR)性能,起始电位为0.96V(vs RHE),半波电位为0.85 V (vs RHE)。结果表明Fe/Co-N/P-9具有近似于Pt/C的氧还原催化性能,高于Pt/C的氧还原稳定性及优异的耐甲醇性能。此外,利用蓝电测试系统对以该纳米纤维作为阴极催化剂的锌空电池进行性能测试,测得该锌空电池开路电压为1.25 V,放电容量达565mAh/gZn,并具有良好的充放电循环稳定性。相关研究成果以“Multicomponent doped sugar-coated haws stick-like nanofibers as efficient Oxygen Reduction Reaction catalysts for Zn-air battery”为题目发表于ACS Sustainable Chem. Eng上。

论文链接: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b06447

2. 柔性多孔金属杂原子掺杂纳米纤维用于锌空气电池高效ORR电催化剂

开发高效、耐用的氧化还原电催化剂对燃料电池和金属空气电池等清洁能源技术至关重要。北京化工大学马贵平老师和英国埃克塞特大学Binling Chen(共同通讯作者)以电纺Zn/Co-ZIFs/PAN纳米纤维(Zn/Co-ZIFs/PAN)为原料,采用直接碳化法制备了一种柔性、多孔、分散良好的金属杂原子掺杂纳米碳纤维。获得的Zn/Co和N 共掺杂多孔纳米碳纤维碳化在800°C(Zn Co-N@PCNFs-800)展现了良好的柔性,连续的多孔结构,同时具有优异的氧还原反应(ORR)催化活性。此外,作者还测试了Zn/Co-N@PCNFs-800作为可充电锌空气电池氧阴极的适用性和耐久性。所构建的锌空气电池具有高功率密度(83.5 mW cm−2)、高比容量(640.3 mAh g−1)、良好的可逆性和循环寿命。因此,利用电纺ZIFs/聚合物纳米纤维制备的柔性多孔非贵金属掺杂ORR电催化剂的设计策略,为其他新型、稳定、易用的清洁能源技术多功能电催化剂的制备提供了新思路。相关研究成果以“Flexible, Porous, and Metal–Heteroatom-Doped Carbon Nanofibers as Efficient ORR Electrocatalysts for Zn–Air Battery”为题目发表于Nano-Micro Letters上。

论文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-019-0238-4

3. 新型棒状氮掺杂碳纤维作为锌空气电池高效ORR电催化剂

北京化工大学马贵平老师采用静电纺丝技术构建了一种新型棒状结构钴/钴氧化物纳米颗粒(Co/CoOx-N-C)包覆的氮掺杂碳纤维。电纺ZIF-67@PAN纤维碳化后得到Co/CoOx-N-C。研究了ZIF-67晶体尺寸和热解温度对ORR的影响。ZIF-67平均尺寸为370nm,碳化温度为8000C时得到最佳的Co/CoOx-N-C-l,该材料具有一维层状多孔棒状结构的特征,纳米粒子分散,N掺杂量含量高,石墨化程度高,具有优异的ORR性能。作为可充电锌空气电池氧阴极,Co/CoOx-N-C-l展现了较高的放电比容量(610mAh/g)。相关研究成果以“Pod-like structured Co/CoOx nitrogen-doped carbon fibers as efficient oxygen reduction reaction electrocatalysts for Zn-air battery”为题目发表于Applied Surface Science上。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.05.210

4. Pt基合金纳米颗粒嵌入电纺多孔碳纳米纤维用于甲醇氧化反应的电催化剂

北京化工大学马贵平老师团队以Pt-Ni/pCNFs和Pt-Ag-Ni/pCNFs为原料,通过静电纺丝、浸渍成型、碳化和置换反应成功制备了Pt-Ni/pCNFs基合金纳米颗粒/多孔结构纳米纤维纳米复合材料,作为甲醇氧化反应(MOR)的电催化剂。平均直径180nm的合金纳米颗粒均匀嵌入pCNFs表面,Pt-Ag-Ni/pCNFs甲醇催化剂表现出较高的催化活性。因此,本研究提出了一种Pt-Ag-Ni/pCNFs用于MOR的机理,并为MOR电催化剂的制备提供一种新策略。相关研究成果以“Pt-based alloy nanoparticles embedded electrospun porous carbon nanofibers as electrocatalysts for Methanol oxidation reaction”为题目发表于Journal of Alloys and Compounds上。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.003

链接地址:http://www.espun.cn/news/detail-754.html

文章来源:易丝帮



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