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单分散Co9S8植入氮掺杂的碳纳米片:高效且稳定的氧还原催化剂

燃料电池由于其高功率密度、高能量转换效率和环境友好等优点引起了研究者的广泛关注,作为高效的清洁电源有望广泛用于电动车辆和便携式电子设备。但是发生在阴极的氧还原反应(ORR)的缓慢动力学过程严重地限制了燃料电池的商业化。Co-S系化合物作为ORR催化剂已经被广泛地研究,理论计算也表明Co9S8和Pt具有相近的催化活性。但是目前的研究结果表明Co9S8的催化活性远低于Pt催化剂,主要是由于Co9S8较大的颗粒尺寸以及和碳基质之间弱的相互作用。因此发展新型的制备方法来控制Co9S8颗粒的尺寸大小以及构建独特的复合结构来增强Co9S8和碳基质之间的相互作用,进而提供其催化活性和稳定性具有重要意义。


近日,北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室杨文胜教授点击查看介绍课题组通过高温碳化间氨基苯磺酸根插层的钴铝水滑石制备了Co9S8和氮掺杂碳空心球复合物。该复合物由大量相互连接的碳纳米片组成,且单分散的Co9S8纳米颗粒植入碳纳米片中。该结构的优势主要有以下几点:(1)基于二维层间限域反应,可以获得具有小尺寸的单分散硫化钴纳米颗粒,进而使更多的催化活性位点被暴露和利用;(2)碳化过程和Co9S8的生成过程同时进行,使得Co9S8颗粒和碳纳米片具有强的相互作用,因而具有非常好的稳定性;(3)独特的空心和多级孔结构特点有利于催化过程中电解液离子、反应中间物及产物的快速传输。基于该材料的结构优势,将其作为ORR催化剂,电化学测试表明该材料具有高的ORR催化活性、持久的稳定性和优异的抗甲醇氧化能力,是目前报道的基于金属硫化物催化剂中最好的。


该研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A上,第一作者博士生王俊。该工作得到国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金委、中国高等教育博士研究基金会研究基金的大力支持。


该论文作者为:Jun Wang, Liqun Li, Xu Chen, Yanluo Lu, Wensheng Yang

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ta/c6ta03518c

Monodisperse cobalt sulfides embedded within nitrogen-doped carbon nanoflakes: an efficient and stable electrocatalyst for the oxygen reduction reaction

J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 11342-11350, DOI: 10.1039/c6ta03518c


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