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MOF材料纳米孔道限域空间内合成高性能的氧还原电催化剂

燃料电池是一种不通过燃烧,将化学能直接转变成电能的高效转化能源装置,是未来清洁动力能源的典范之一。然而,在燃料电池阴极中,相对缓慢的氧还原反应(ORR)在一定程度上制约了电池的性能。虽然铂基催化剂是目前性能最好的氧还原反应催化剂,但因资源稀缺、价格昂贵,严重限制了燃料电池的大规模商业化。因此,开发高性能的非贵金属氧还原催化剂就显得十分重要。近年来,过渡金属-氮负载的碳基材料是一种有望取代铂基催化剂的高效ORR非贵金属催化剂。然而,在非贵金属催化剂的合成过程中,高温煅烧过程导致金属颗粒聚集,不利于活性位点的暴露。


为了解决这一问题,近日,北京化工大学化学工程学院的向中华教授和能源学院的戴黎明教授合作,以金属有机框架(MOF)材料作为模版,并加入聚合物前驱体(四苯基卟啉),聚合后除去MOF模板得到共价有机聚合物(COP)材料,随后通过与金属络合、碳化等方法获得高效的非贵金属和氮掺杂碳基ORR催化剂(COP-TPP(Fe)@MOF-900)。

图1. COP-TPP(Fe)@MOF-900催化剂制备的示意图。图片来源:ACS Nano


研究团队利用MOF纳米限域作用很好地抑制了金属聚集,充分暴露了活性位点,制备出活性位点高度分散的高效ORR非贵金属催化剂。结果表明,纳米限域的方法有效提高了催化剂的比表面积,使金属/氮活性位点均匀分布于催化剂表面,其尺寸也有所减小。COP-TPP(Fe)@MOF-900催化剂表现出与商业Pt/C催化剂相似的起始电位和半波电位,起始过电势约为0.99 V(vs RHE),半波电位为0.85 V(vs RHE)。此外,该催化剂还具有良好的稳定性和抗甲醇干扰特性。

图2. 催化剂的氧还原性能。图片来源:ACS Nano


该研究团队进一步利用密度泛函理论(DFT)计算与X射线吸收精细结构(EXAFS)分析深入研究ORR反应的路径和活性位点,系统分析了氧气在催化剂(包括Fe、Co与Fe/Co双中心催化剂)表面的电荷密度分布与还原中每一种中间产物的自由能,确定Fe-N为优异的活性位点。该工作为制备高性能的氧还原电催化剂提供了一种可行且重要的方法。相关成果近期发表在ACS Nano 上,文章的第一作者是北京化工大学的博士研究生郭佳宁,北京化工大学的向中华教授和戴黎明教授为该文章的共同通讯作者。


该论文作者为:Jianing Guo, Yang Li, Yuanhui Cheng, Liming Dai and Zhonghua Xiang

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Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysts Synthesized under Nanospace Confinement of Metal–Organic Framework.

ACS Nano, 2017, 11, 8379, DOI: 10.1021/acsnano.7b03807


向中华教授简介


向中华,北京化工大学化学工程学院教授,2013年于北京化工大学取得博士学位,2013年至2014年在美国凯斯西储大学从事博士后研究工作,2014年7月起就职于北京化工大学;主要研究方向是新能源材料的设计与定向制备,在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano 等国际重要SCI期刊发表论文40余篇,被Science 等SCI他引1800次,并于2013年获得教育部自然科学一等奖(排名第二)、中国化工学会第九届侯德榜科技青年奖(2017)、北京高校优秀共产党员(2017)。


戴黎明教授简介


戴黎明教授,现任北京化工大学能源学院院长,国家“千人计划”特聘专家,国家海外杰出青年获得者,凯斯西储大学教授、讲席教授,美国医学与生物工程院院士,英国皇家化学会会士;本科毕业于浙江大学,博士毕业于澳大利亚国立大学;主要研究领域为新能源材料和器件,包括碳纳米材料及功能高分子在锌-空燃料电池、氢氧燃料电池、光电水解等方面的应用;于2009年首次发现氮掺杂的碳纳米管可以替代Pt/C催化剂作为燃料电池的阴极氧还原催化剂(Science, 2009, 323, 760),由此引发非金属催化剂的研究热潮;在ScienceNature 子刊、PNAS、Chem. Rev.、Acc. Chem. Res. 等国际一流学术期刊上发表论文400余篇,共计引用近40000次,H指数大于100;获得或已申请国际专利30余项,全球高被引科学家;任Nano Energy 副主编、J. Chem. Eng. Process. Technol. 主编等职务。


http://www.x-mol.com/university/faculty/40464


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