非负载型三维一体化氧还原气体多孔电极的构筑与催化特性研究
批准号:
21576031
项目类别:
面上项目
资助金额:
65.0 万元
负责人:
陈四国
依托单位:
学科分类:
光化学与电化学工程
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
熊春、王尧、罗浩、张远亮、吴睿、王青梅、李佳
中文摘要
发展低成本、高性能的氧还原催化剂是实现燃料电池商业化的关键。针对现有氮掺杂碳(N/C)催化剂存在的掺氮效率低、导电性差、活性差等一系列问题。本申请提出“三维一体化氧还原气体多孔电极”的构筑方案,通过原位聚合将含氮聚合物前驱体包覆在具有三维网状开孔结构和高开孔率的三聚氰胺骨架上,利用二氧化硅的固形和限域作用,控制聚合物高温碳化时的结构形貌转换,避免聚合物在高温碳化过程中的结构坍塌、烧结及热解损失,利用高温碳化时产生的水、气调控表界面产生的缺陷、孔隙和掺杂类型,确保N/C催化剂活性位点尽可能地处在 “气/固/液”三相界面上,实现催化中心利用率的全面提升。
英文摘要
Developing catalysts with high performance and low cost for oxygen reduction reaction (ORR) has been one of the major challenges for large-scale application of fuel cells. Nitrogen-doped carbon (N/C) catalyst is one of the most promising alternative non-noble metal catalysts of Pt catalysts. However, its catalytic activity is still at a low level compared to Pt catalysts due to low electron conductivity and insufficient active sites. In this application, we provide a novel strategy to prepare nitrogen-doped carbon three-dimensional porous electrode by the direct carbonization of nitrogen-rich polymer coated foam, which was sealed on a silica nano-reactor. By means of the limited space and quasi-closed characteristics of the silica nano-reactor, the collapsing, sintering and losing of nitrogen-rich polymer foam at high temperature process can be alleviated. The gasification in such a closed nano-reactor creates a large number of active sites for O2 and water, which is conducive to improve the mass transfer efficiency and increase the exposure of active sites to the three-phase zone.
发展低成本、高性能的非铂氧还原催化剂是实现燃料电池规模化应用的关键。针对现有氮掺杂碳(NC)催化剂存在的掺氮效率低、导电性差、活性差等一系列问题,本项目提出“三维一体化氧还原气体多孔电极”的构筑方案,在项目执行过程中发表论文17篇,其中SCI论文17篇,申请发明专利2项,获授权发明专利1项。取得的创新性成果有:(1)通过调控升温速率,首次制备了Zn含量高达9.33 wt%的Zn单原子催化剂,颠覆了Zn盐仅仅是造孔剂这一长期以来形成的科学共识。研究还发现不论是酸性还是碱性介质中,Zn单原子催化剂均表现出与传统Fe单原子催化剂相当的电化学活性,以及更加优异的电化学稳定性。通过同步辐射技术和原子分辨透射电镜表征,发现Zn原子与四个N原子结合配位形成稳定的Zn-N4结构,并结合理论计算,从原子水平上解释了Zn-N4结构比传统Fe-N4结构更加稳定的原因;(2)发明了低共熔盐半封闭宏量制备高性能NC催化剂的新方法,有效解决了聚合物前驱体在高温碳化过程中的结构坍塌、烧结及热解损失问题,催化剂产率和氮含量大幅提升;(3)发展了一种利用SiO2高温限域和二次碳化合成Fe/N/C催化剂的新方法,采用这种方法合成的Fe/N/C催化剂产率较传统开放体系提升了6.3倍,氮掺杂效率提升了5.4倍。
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Monodispersed Co in Mesoporous Polyhedrons: Fine-tuning of ZIF-8 Structure with Enhanced Oxygen Reduction Activity
介孔多面体中的单分散 Co:微调 ZIF-8 结构并增强氧还原活性
DOI:
10.1016/j.electacta.2017.08.091
发表时间:
2017-10-10
期刊:
ELECTROCHIMICA ACTA
影响因子:
6.6
作者:
[Shah, Syed Shoaib Ahmad, Peng, Lishan, Wei, Zidong]
通讯作者:
Wei, Zidong
Structural Evolution of Solid Pt Nanoparticles to a Hollow PtFe Alloy with a Pt-Skin Surface via Space-Confined Pyrolysis and the Nanoscale Kirkendall Effect
通过空间限制热解和纳米级柯肯德尔效应,固体 Pt 纳米颗粒向具有 Pt 皮表面的空心 PtFe 合金的结构演化
DOI:
10.1002/adma.201603509
发表时间:
2016
期刊:
Advanced Materials
影响因子:
29.4
作者:
[Wang Qingmei, Chen Siguo, Shi Feng, Chen Ke, Nie Yao, Wang Yao, Wu Rui, Li Jia, Zhang Yun, Ding Wei, Li Yang, Li Li, Wei Zidong]
通讯作者:
Wei Zidong
Generation of three dimensional pore-controlled nitrogen-doped graphene hydrogels for high-performance supercapacitors by employing formamide as the modulator
以甲酰胺为调制剂生成用于高性能超级电容器的三维孔控氮掺杂石墨烯水凝胶
DOI:
10.1039/c6ta09734k
发表时间:
2017-01
期刊:
Journal of Materials Chemistry A
影响因子:
11.9
作者:
[Wang Yao, Wei Zidong, Nie Yao, Zhang Yun]
通讯作者:
Zhang Yun
High temperature self-assembly one-step synthesis of a structurally ordered PtFe catalyst for the oxygen reduction reaction
高温自组装一步合成结构有序的 PtFe 氧还原催化剂
DOI:
10.1039/c9cc05714e
发表时间:
2019
期刊:
Chemical Communications
影响因子:
4.9
作者:
[Gao Xiaoyan, Chen Siguo, Deng Jianghai, Ibraheem Shumaila, Li Jia, Zhou Qiuyun, Lan Huiying, Zou Xiao, Wei Zidong]
通讯作者:
Wei Zidong
Controlled synthesis of hollow micro/meso-pore nitrogen-doped carbon with tunable wall thickness and specific surface area as efficient electrocatalysts for oxygen reduction reaction
可控合成壁厚和比表面积可调的中空微/介孔氮掺杂碳作为氧还原反应的高效电催化剂
DOI:
10.1039/c5ta09859a
发表时间:
2016
期刊:
Journal of Materials Chemistry A
影响因子:
11.9
作者:
[Wu Rui, Chen Siguo, Zhang Yuanliang, Wang Yao, Nie Yao, Ding Wei, Qi Xueqiang, Wei Zidong]
通讯作者:
Wei Zidong
共 17 条
耐磺酸基团中毒的非接触Pt-Nafion离聚物界面构筑与直接涂膜技术研究
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批准号:22178034
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项目类别:面上项目
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资助金额:60万元
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批准年份:2021
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负责人:陈四国
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依托单位:
防溶解抗烧结单原子层结构有序Pt基合金催化剂的构筑与性能调控
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批准号:21978028
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2019
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负责人:陈四国
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依托单位:
基于低共熔盐模板的高密度活性位Fe-N-C催化剂分子设计和可控制备
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批准号:21776023
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项目类别:面上项目
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资助金额:64.0万元
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批准年份:2017
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负责人:陈四国
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依托单位:
抗团聚高分散超低铂-非金属复合催化剂的构筑与催化特性研究
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批准号:21276291
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项目类别:面上项目
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资助金额:83.0万元
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批准年份:2012
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负责人:陈四国
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依托单位:
国内基金
海外基金