胡广志&李雷等:合理设计分级多孔钴、氮掺杂碳框架作为氧还原反应电催化剂

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来源丨AdvancedScienceNews

创新点


中科院新疆理化技术研究所胡广志研究员、嘉兴学院李雷教授和法国蒙彼利埃大学欧洲膜研究所Damien Voiry博士及合作者,使用聚苯乙烯球作为硬模板制备了分级有序多孔的ZIF-67,进一步碳化得到分级多孔钴、氮掺杂碳材料(Co-NOPC)。相比于传统ZIF-67衍生Co-N-C基催化剂,Co-NOPC作为氧还原反应催化剂表现出更高的催化活性。

关键词

 
氧还原反应,燃料电池,分级有序多孔碳,传质扩散
开发低成本、高效率的氧还原反应电催化剂对于燃料电池大规模应用具有重大意义,当前研究表明,金属-氮-碳(M-N-C)基催化剂对氧还原反应表现出较高的本征催化活性。要进一步提高催化剂的催化效率,一方面可以增加活性位点的密度,另一方面可以增大催化剂的比表面积来暴露更多活性位。ZIF-67是钴离子和2-甲基咪唑配位形成的一种具有沸石咪唑框架结构的金属有机配位化合物,具有较高的孔隙率,先前研究已经表明将ZIF-67作为前驱体直接碳化可得到钴-氮-碳(Co-N-C)催化剂,对氧还原反应表现出较好的催化活性。然而在电化学催化过程中,只有三维碳颗粒表面暴露的活性位点能参与催化反应,大部分活性位被深埋而限制了材料的催化效率。
中科院新疆理化技术研究所胡广志研究员、嘉兴学院李雷教授和法国蒙彼利埃大学欧洲膜研究所Damien Voiry博士及合作者,针对提高催化剂效率做了进一步探索,他们使悬浮聚合和负压过滤的方式制备了聚苯乙烯微球模板,在其上生长了ZIF-67,洗去模板后进一步碳化得到分级有序多孔的钴、氮掺杂碳材料。电镜下可以看到这种三维碳纳米颗粒具有均一有序的大孔结构,这种大孔结构使得碳颗粒内部的活性位中心得以暴露,催化效率倍增。

在材料制备过程中,研究人员对原料六水合硝酸钴和2-甲基咪唑的配比做了优化,结果表明当六水合硝酸钴和2-甲基咪唑的进料摩尔比为3:4时,合成的多孔ZIF-67具有更稳定的孔结构和化学结构,衍生得到的催化材料具有更好的催化性能。退火温度对于材料的性能也具有很重要的影响,较高的温度有利于石墨相的形成,能够促进催化剂表面电子传输从而提高催化剂催化效率。然而过高的退火温度则会导致金属元素聚集形成钴金属纳米颗粒,使得活性位点失活,催化性能丧失。研究表明,500℃下退火2小时基本不会产生严重的金属团聚,且材料具有不错的电导率,电化学测试表明,该温度下得到的催化剂具有最高的催化活性。将聚苯乙烯微球作为模板在MOF类材料中引入大孔结构很有趣,这些发现对于提高催化剂的催化效率具有重要指导意义。



相关结果发表在ChemSusChem (DOI: 10.1002/cssc.201903053)上
原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.201903053


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