【催化】負載錳鈷尖晶石的缺陷活性炭作為一種高效的氧還原電催化劑

2021-01-16 X-MOL資訊

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一般來說，純的碳材料並不被認為具有高效的電催化活性，活性炭就是一個典型的例子。由於活性炭價格低廉而且已經實現了大規模化生產，那麼活性炭經過簡單的改性處理後能否具有很高的電催化活性呢？最近，澳大利亞格裡菲斯大學的姚向東教授課題組基於他們所提出的一種缺陷催化機理，成功地使活性炭具有很高的氧還原反應（ORR）催化活性，並通過負載少量的錳鈷尖晶石納米顆粒，在鹼性條件下使其具有和商業化的Pt/C可以媲美的ORR催化性能。


燃料電池因其高的能量轉化效率和無汙染的特點而被認為是目前最有發展前景的高效清潔發電技術，然而燃料電池遲緩的陰極氧還原反應極大地降低了其整體性能。目前來說，鉑（Pt）及其合金仍然是目前最為有效的催化劑。但是由於Pt資源稀缺、價格昂貴, 在直接甲醇燃料電池中，Pt還會受到甲醇的毒化作用而失去催化活性，並且其穩定性較差，這些問題在很大程度上限制了其商業化應用，因此設計與開發廉價高效穩定的ORR電催化劑對實現燃料電池的大規模商業化應用具有重要的意義。


姚向東教授團隊最近提出的一種缺陷催化機理表明，在碳材料中，特定類型的缺陷可以使純的碳材料具有很高的電催化活性，他們通過不同的方法在不同的材料中成功地製造出了對ORR有利的特殊缺陷來提高「純碳」材料的電催化活性。典型的例子包括：通過原位去掉氮原子的方法在一種含氮的多孔有機骨架材料（PAF-40）中成功地製造出了對ORR有效的缺陷；通過去除碳材料中的金屬元素，他們也得到了性能很好的「純碳」ORR催化劑，如他們高溫去掉一種含鋅金屬有機骨架材料（MOF）中的鋅後發現，所得碳材料的氧還原性能有很大幅度地提升；通過引入氮原子然後去掉氮原子的方法成功地在活性炭中製造出了對ORR有效的缺陷，所得催化劑的氧還原性能在鹼性條件下與商業的Pt/C催化劑已經十分接近；此外，他們還以單層石墨烯為研究對象，通過摻氮的方法向其引入氮原子，然後在高溫條件下將摻入的氮原子去掉以製造缺陷，並藉助於球差電鏡在所得的缺陷石墨烯中觀察到了不同類型的缺陷，這對他們所提出的缺陷催化機理是一個有力的證據。


儘管缺陷活性炭（D-AC）的ORR催化活性在不含金屬的催化劑中位居前列，但是其催化性能仍然比不上商業化的Pt/C。鑑於此，他們以具有較高ORR催化活性的D-AC作為載體，然後通過一種簡易的液相浸漬法引入了少量的非貴金屬錳鈷尖晶石納米顆粒。由於碳表面的缺陷是高能量點，可以和所負載的金屬有很強的相互作用，使得所負載的金屬粒子分布更均勻和尺寸更小，從而提高材料的催化活性。同時，這種強相互作用使得該催化劑在工況條件下有更好的穩定性。從下圖a可以看出所得的催化劑D-AC@2Mn-4Co已經具有和商業的Pt/C相當的ORR性能，並且其穩定性比Pt/C更好（圖b），同時它還不會受到甲醇毒化的影響（圖c），說明它也適用於甲醇燃料電池。圖d是缺陷和錳鈷尖晶石相互作用而提高所得催化劑氧還原性能的反應機理圖，這對開發設計更高效的催化劑來說具有一定的指導作用。



這一成果近期發表在《Advanced Materials》上，文章的第一作者是澳大利亞格裡菲斯大學的嚴學成博士。


該論文作者為：Xuecheng Yan, Yi Jia, Jie Chen, Zhonghua Zhu, Xiangdong Yao

原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201601651/abstract

Defective-Activated-Carbon-Supported Mn–Co Nanoparticles as a Highly Efficient Electrocatalyst for Oxygen Reduction

Adv. Mater., 2016, 28, 8771-8778. DOI: 10.1002/adma.201601651


姚向東博士簡介


姚向東，澳大利亞格裡菲斯大學昆士蘭微納米技術中心教授。2005年於澳大利亞昆士蘭大學取得博士學位，2005年至2009年在昆士蘭大學工作，2009年起作為副教授就職於澳大利亞格裡菲斯大學，2012年底被評為教授。研究領域主要包括新能源材料，尤其是儲氫材料、電催化劑的製備、性能與應用研究等。姚向東教授在上述領域發表學術論文160餘篇，其中包括Nat. Commun.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，JACS，Energy Environ. Sci.等國際知名期刊。


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