具有精确构建吡啶-N活性位点的氮掺杂碳球用于高效电催化氧还原

前言

2022年5月，AppliedSurface Science (中科院一区，影响因子7.392)在线发表了三峡大学叶立群教授团队有关CTFs衍生碳材料在电催化氧还原领域的最新研究成果。该工作报道了一种精准吡啶-N活性位点的氮掺杂碳球的创新型制备方法，并研究了其电催化氧还原的性能及机理。论文第一作者为三峡大学青年教师郑勇，论文通讯作者为三峡大学叶立群教授。

图文摘要

背景介绍

绿色和可持续的能源转换系统本质上需要智能设计对氧还原反应（ORR）具有高性能和长期稳定性的非金属催化剂。优化具有丰富且均匀分布的氮（N）型活性位点的碳纳米材料为提高ORR提供了更多优势。然而，使用当前的方法/技术设计具有明确定义的N 掺杂活性位点的催化剂极具挑战性。本文研究提出一种合理的溶剂热策略来合成共价三嗪聚合物（CTP），该聚合物作为理想的“一体”前体，可通过随后的热解制备高吡啶N掺杂含量的非金属氧还原电催化剂。

由于丰富且精确构建的吡啶-N活性位点，新制备的N掺杂碳球（N/N-CS）催化剂对ORR具有优异的催化活性，具有高半波电位（E1/2=0.865V vs. RHE），对甲醇具有优异的耐受性和良好的长期性能。令人印象深刻的是，在将N/N-CS电极用作一次锌空气电池的正极材料时，N/N-CS电极的峰值功率密度（约148mW cm-2）优于商业Pt/C电催化剂（约123mW cm-2)。这项工作提供了一种创新和高效的方法，用于合成具有精确控制的活性位点的非金属电催化剂，为各种能量转换反应提供了显著催化能力。

本文亮点

1. 采用简单高效的溶剂热热解转化方法制备了吡啶-N为主导的碳球(N/N-CS)；

2. N/N-CS表现出优异的氧还原反应(ORR)电催化活性，具有超高半波电位(E1/2= 0.865 V vs. RHE)和良好的甲醇耐受性；

3. N/N-CS可作为高性能锌-空气电池的空气正极材料；

4. 采用N/N-CS为空气阴极组装锌-空气电池具有良好的放电性能，功率密度为148mW cm -2，优于商用Pt/C (127 mW cm -2)。

图文导读

图1. N掺杂碳球的制备示意图。

图2. (a) O/N-CS和(b)N/N-CS的SEM图像，(c)O/N-CS和(d) N/N-CS的C、N和O的TEM图像和EDS图。

图3.(a) FT-IR光谱，(b)固态13C NMR光谱，(c) XRD谱图，(d) N-CTP和O-CTP的XPS高分辨率N 1s光谱。

图4. (a) XPS测量光谱，(b) 高分辨率XPS N1s，(c) XRD 图案，(d)拉曼光谱，(e)氮吸附/解吸等温线，(f) N/N-的孔径分布CS 和O/N-CS。

图5. (a)O/N-CS、N/N-CS和Pt/C在0.1M O2饱和KOH中转速为1600 rpm时的LSV曲线，(b)LSV曲线对应催化剂的Tafel图，(c)在800~2400转/分不同转速下，0.1M O2饱和KOH中N/N-CS的LSV曲线，(d)0.60~0.80 V电流密度下N/N-CS的K-L图，(e)Pt/C和N/N-CS在0.1 M O2饱和KOH中加入1M甲醇，转速为1600 rpm时的时程电流响应，(f) Pt/C和N/N-CS在1600转/分转速下的耐久性。

图6. (a)一次锌空气电池的示意图，(b)分别使用Pt/C和N/N-CS作为空气电极的一次锌空气电池的放电极化和功率密度曲线，(c)分别为N/N-CS和基准Pt/C空气电极的比容量图，(d) N/N-CS和Pt/C空气电极在10、20、30、40、50和10 mA cm-2的不同放电电流密度下的倍率性能。

全文小结

这项工作为合理设计和制造活性位点可控的杂原子掺杂碳材料提供了一条途径，这对金属空气电池、燃料电池和其他能量转换装置具有吸引力。作者相信制备吡啶-N主导的N掺杂纳米碳的策略将是通用的，并将激发这个新兴领域的广泛应用。这项工作为实际应用中锌空气电池电极材料的设计制备开辟了广阔的前景。该研究成果得到了国家自然科学基金的资助。

审核编辑：刘清