利用可再生电力将二氧化碳转化为高附加值产品的电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)是一项具有革命性潜力的技术,因而备受关注.其中,一氧化碳被视为CO_(2)RR中最具经济效益的产物之一,可直接利用费托合成工艺将其用于合成醛、酮、烃类等...利用可再生电力将二氧化碳转化为高附加值产品的电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)是一项具有革命性潜力的技术,因而备受关注.其中,一氧化碳被视为CO_(2)RR中最具经济效益的产物之一,可直接利用费托合成工艺将其用于合成醛、酮、烃类等产品.酞菁钴(CoPc)作为单位点催化剂,因其高原子利用率和高催化选择性能,在二氧化碳转化为一氧化碳过程中具有很大优势.然而,CoPc无法为CO_(2)RR中的质子化过程提供足够质子,导致其在工业大电流密度下的效率较低.因此,探索一种能够解决CO_(2)RR中质子供给不足问题的高效电催化剂对于提升CO_(2)RR的性能至关重要.本文设计了具有增强质子供给作用的缺陷碳纳米管(d-CNT),将其作为导电载体分散CoPc,用于制备CoPc/d-CNT电催化剂.通过引入富缺陷的碳纳米管(d-CNT),加速水解离进而增加CO_(2)RR的质子供给量.X射线光电子能谱、X射线吸收近边光谱和扩展X射线吸收精细结构谱结果表明,CoPc/d-CNT成功合成,同时保留了CoPc完整的Co-N4配位结构.透射电镜、粉末X射线衍射谱和拉曼光谱共同表明,d-CNT表面缺陷相对于商用CNT明显增加.动力学实验和原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱研究表明,含大量缺陷的d-CNT具有加速水解离的能力,显著提高了二氧化碳还原反应过程中的质子供给,从而促进了CoPc_上CO_(2)活化生成*COOH.同时,密度泛函理论计算结果表明,d-CNT表面缺陷位点上从吸附水(*H2O)到质子水(H3O+)的吉布斯自由能为0.74 eV,远低于CNT(超过2 eV),表明d-CNT促进了水解过程和质子传递,再次证实了d-CNT降低了水分子解离的势垒.通过实验和理论的共同验证,阐明了d-CNT中的缺陷能够促进水解离,改善CO_(2)RR反应过程中质子供给,增强CoPc高效催化CO_(2)RR的能力.因此,CoPc/d-CNT混合材料表现出较好的催化性能.在电流密度为500 mA cm^(-2)的流动电池中,CoPc/d-CNT的CO法拉第效率(FECO)高达96%.相对而言,CoPc/CNT在200 mA cm^(-2)时FECO已经下降到90%以下.此外,在150 mA cm^(-2)的电流密度下,CoPc/d-CNT能够在20 h内维持FECO超过90%.综上,本文通过引入具有水解离能力的缺陷碳位点,解决了单位点催化剂CoPc在CO_(2)RR中质子供给不足的问题,为设计高性能催化剂提供了新见解.展开更多
锌-空气电池(ZAB)因其能量密度高、环境友好、成本低以及安全性高而备受关注.然而,空气电极上的氧还原反应(ORR)动力学缓慢,严重限制了ZAB的输出功率.尽管铂基催化剂展现出优异的ORR催化活性,但高昂的成本制约其大规模商业化应用.因此,...锌-空气电池(ZAB)因其能量密度高、环境友好、成本低以及安全性高而备受关注.然而,空气电极上的氧还原反应(ORR)动力学缓慢,严重限制了ZAB的输出功率.尽管铂基催化剂展现出优异的ORR催化活性,但高昂的成本制约其大规模商业化应用.因此,迫切需要开发高效、低成本的ORR电催化剂.研究表明,具有原子分散Co-N4活性位点的Co-N-C单原子催化剂是理想的ORR非贵金属催化剂,但其仍然存在与反应关键中间体结合能较高的难题.目前的研究主要通过调控单原子配位环境与增大活性位点密度来提高Co-N-C催化剂的活性,但如何精确控制中心金属电子结构以及避免高温下金属原子的团聚仍面临巨大挑战.除了单原子活性位点外,催化剂载体的键合结构、电荷分布状态亦会影响载体本身和单原子位点的催化活性.然而,现有的研究主要聚焦于单原子位点或无金属催化剂单方面活性的提升,关于它们之间的相互作用对于催化性能影响的研究相对很少.为了进一步提高Co单原子催化剂的催化活性,本文通过简单的模板法与NH3二次处理策略制备了氮掺杂缺陷碳负载的Co-N_(5)位点单原子催化剂.电感耦合等离子体发射光谱结果表明,单原子Co的金属负载量高达2.57 wt%.此外,相比于未经过NH3二次处理的Co-Nx/HC样品,Co-N_(5)/DHC样品在电子顺磁共振谱中g=2.003处呈现出更明显的共振信号,在C 1s高分辨谱中具有更低的C-C(sp2杂化)/C-N(sp3杂化)比例以及明显增加的吡啶氮信号,证实了Co-N_(5)/DHC显著提升的氮掺杂碳缺陷浓度并具有丰富的边界/缺陷位点.同时,X射线吸收谱与球差矫正透射电子显微镜结果表明所制备的样品为原子分散的Co-N_(5)结构,从而证明成功制备了缺陷氮掺杂碳耦合Co-N_(5)位点单原子催化剂.电化学测试结果表明,缺陷氮掺杂碳耦合Co-N_(5)位点后表现较好的ORR性能,半波电位达到0.877 V,明显高于Co-Nx/HC对比样品和商业化Pt/C催化剂.Koutecky-Levich曲线和旋转盘环电极测试结果表明,Co-N_(5)/DHC催化剂的高效4e-反应路径.且在10000次的加速老化测试中,Co-N_(5)/DHC半波电位仅降低了7 m V,稳定性优于Pt/C.以Co-N_(5)/DHC为阴极催化剂组装的ZAB开路电压为1.45 V,峰值输出功率密度能够达到160.7 m W cm^(-2),并能提供766.2 m A h gZn-1的比容量,展现出较高的应用前景.密度泛函理论计算表明,Co-N_(5)位点与缺陷氮掺杂碳的相互作用诱导Co中心位点电子的重新分布,降低了ORR反应能垒.综上,本文为设计与合成高性能的Co单原子催化剂,用于先进的可再生能源转换系统提供了一种新思路.展开更多
文摘利用可再生电力将二氧化碳转化为高附加值产品的电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)是一项具有革命性潜力的技术,因而备受关注.其中,一氧化碳被视为CO_(2)RR中最具经济效益的产物之一,可直接利用费托合成工艺将其用于合成醛、酮、烃类等产品.酞菁钴(CoPc)作为单位点催化剂,因其高原子利用率和高催化选择性能,在二氧化碳转化为一氧化碳过程中具有很大优势.然而,CoPc无法为CO_(2)RR中的质子化过程提供足够质子,导致其在工业大电流密度下的效率较低.因此,探索一种能够解决CO_(2)RR中质子供给不足问题的高效电催化剂对于提升CO_(2)RR的性能至关重要.本文设计了具有增强质子供给作用的缺陷碳纳米管(d-CNT),将其作为导电载体分散CoPc,用于制备CoPc/d-CNT电催化剂.通过引入富缺陷的碳纳米管(d-CNT),加速水解离进而增加CO_(2)RR的质子供给量.X射线光电子能谱、X射线吸收近边光谱和扩展X射线吸收精细结构谱结果表明,CoPc/d-CNT成功合成,同时保留了CoPc完整的Co-N4配位结构.透射电镜、粉末X射线衍射谱和拉曼光谱共同表明,d-CNT表面缺陷相对于商用CNT明显增加.动力学实验和原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱研究表明,含大量缺陷的d-CNT具有加速水解离的能力,显著提高了二氧化碳还原反应过程中的质子供给,从而促进了CoPc_上CO_(2)活化生成*COOH.同时,密度泛函理论计算结果表明,d-CNT表面缺陷位点上从吸附水(*H2O)到质子水(H3O+)的吉布斯自由能为0.74 eV,远低于CNT(超过2 eV),表明d-CNT促进了水解过程和质子传递,再次证实了d-CNT降低了水分子解离的势垒.通过实验和理论的共同验证,阐明了d-CNT中的缺陷能够促进水解离,改善CO_(2)RR反应过程中质子供给,增强CoPc高效催化CO_(2)RR的能力.因此,CoPc/d-CNT混合材料表现出较好的催化性能.在电流密度为500 mA cm^(-2)的流动电池中,CoPc/d-CNT的CO法拉第效率(FECO)高达96%.相对而言,CoPc/CNT在200 mA cm^(-2)时FECO已经下降到90%以下.此外,在150 mA cm^(-2)的电流密度下,CoPc/d-CNT能够在20 h内维持FECO超过90%.综上,本文通过引入具有水解离能力的缺陷碳位点,解决了单位点催化剂CoPc在CO_(2)RR中质子供给不足的问题,为设计高性能催化剂提供了新见解.
文摘锌-空气电池(ZAB)因其能量密度高、环境友好、成本低以及安全性高而备受关注.然而,空气电极上的氧还原反应(ORR)动力学缓慢,严重限制了ZAB的输出功率.尽管铂基催化剂展现出优异的ORR催化活性,但高昂的成本制约其大规模商业化应用.因此,迫切需要开发高效、低成本的ORR电催化剂.研究表明,具有原子分散Co-N4活性位点的Co-N-C单原子催化剂是理想的ORR非贵金属催化剂,但其仍然存在与反应关键中间体结合能较高的难题.目前的研究主要通过调控单原子配位环境与增大活性位点密度来提高Co-N-C催化剂的活性,但如何精确控制中心金属电子结构以及避免高温下金属原子的团聚仍面临巨大挑战.除了单原子活性位点外,催化剂载体的键合结构、电荷分布状态亦会影响载体本身和单原子位点的催化活性.然而,现有的研究主要聚焦于单原子位点或无金属催化剂单方面活性的提升,关于它们之间的相互作用对于催化性能影响的研究相对很少.为了进一步提高Co单原子催化剂的催化活性,本文通过简单的模板法与NH3二次处理策略制备了氮掺杂缺陷碳负载的Co-N_(5)位点单原子催化剂.电感耦合等离子体发射光谱结果表明,单原子Co的金属负载量高达2.57 wt%.此外,相比于未经过NH3二次处理的Co-Nx/HC样品,Co-N_(5)/DHC样品在电子顺磁共振谱中g=2.003处呈现出更明显的共振信号,在C 1s高分辨谱中具有更低的C-C(sp2杂化)/C-N(sp3杂化)比例以及明显增加的吡啶氮信号,证实了Co-N_(5)/DHC显著提升的氮掺杂碳缺陷浓度并具有丰富的边界/缺陷位点.同时,X射线吸收谱与球差矫正透射电子显微镜结果表明所制备的样品为原子分散的Co-N_(5)结构,从而证明成功制备了缺陷氮掺杂碳耦合Co-N_(5)位点单原子催化剂.电化学测试结果表明,缺陷氮掺杂碳耦合Co-N_(5)位点后表现较好的ORR性能,半波电位达到0.877 V,明显高于Co-Nx/HC对比样品和商业化Pt/C催化剂.Koutecky-Levich曲线和旋转盘环电极测试结果表明,Co-N_(5)/DHC催化剂的高效4e-反应路径.且在10000次的加速老化测试中,Co-N_(5)/DHC半波电位仅降低了7 m V,稳定性优于Pt/C.以Co-N_(5)/DHC为阴极催化剂组装的ZAB开路电压为1.45 V,峰值输出功率密度能够达到160.7 m W cm^(-2),并能提供766.2 m A h gZn-1的比容量,展现出较高的应用前景.密度泛函理论计算表明,Co-N_(5)位点与缺陷氮掺杂碳的相互作用诱导Co中心位点电子的重新分布,降低了ORR反应能垒.综上,本文为设计与合成高性能的Co单原子催化剂,用于先进的可再生能源转换系统提供了一种新思路.
