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基于金属次卟啉构筑N-Cx@M-Ny-C多层次催化ORR的中空碳材料
结题报告
批准号:
21701077
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
23.0 万元
负责人:
孙呈郭
依托单位:
学科分类:
B0502.无机功能材料化学
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
安百钢、李苏宁、张雪松、狄方、王月
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中文摘要
非贵金属-氮掺杂碳材料应用于质子交换膜燃料电池中催化氧气还原反应(ORR),具有低成本、高活性和高循环使用寿命等优点,但该材料中活性位点的结构和含量一直是制备的难点。.本项目采用化学合成法将金属次卟啉固载在氨基修饰的模板表面,再以含氮聚合物包裹,经热解和除模板后构筑多层次中空碳球,其中该碳壳的内外表层含N-Cx活性位点,碳壳的中间层主要是由金属次卟啉提供的M-Ny-Cx活性位点(M为金属离子;x, y=0~4)。该设计思路不仅利用了中空碳球高比表面积和丰富的介孔通道等的特点,而且利用了碳壳层次结构对M-Ny-Cx活性位点提供抗氧化保护作用,增强其稳定性和循环使用寿命,同时两相活性位点之间也能产生协同催化ORR。.此外,通过比较研究金属次卟啉、金属四苯基卟啉及金属酞菁在可控热解条件下获得活性位点的类型、含量以及在ORR中的作用机制,有利于深化环状四吡咯大环化合物在燃料电池应用中的理论知识。
英文摘要
N-doped carbon materials, with its low-cost, superior activity and high durability have a broad commercial application prospect in the fields of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) for oxygen reduction reaction (ORR). However, the quantitative preparation of the structure and content of active sites are more challenging. .This project aims to construct the multi-layer hollow carbon spheres containing both N-Cx and M-Ny-Cx active sites (M for metal ion ; x, y=0~4) by chemical grafting synthetic method, which contains four steps such as the immobility of metallo-deuteroporphyrin on the modified template, covering with polynitrogen compounds, the pyrolysis, and removing template. This constructionn strategy for multi-layer hollow carbon spheres has several important benefits: (i) the high activity of M-Ny-Cx was derived from metallo-deuteroporphyrin and the N-Cx active site was distributed in the inside and outside layer of carbon shell. The interaction of two active sites can provide the excellent catalytic activity. (ii) the M-Ny-Cx active site was embedded into carbon layer, which was resulted in improving the catalytic activity and durability. .Moreover, based on the result of the difference in the type, the feasibility, the active site, and the ORR mechanism of three compounds (metallo-deuteroporphyrin, metallo-tetraphenylporphyrin and metallo-phthalocyanine), it would be better to understand the theoretical knowledge of fuel cell applications in hetero-macrocyclic compounds, and will make great contribution to promote the development of fuel cell.
开发性能稳定、价格便宜的非贵金属氧还原电催化剂是质子交换膜燃料电池的系统中是一个关键技术问题,特别是获得稳定性能和催化活性大幅度提高的纳米层次结构催化材料。本项目针对上述问题,主要研究了以易提取的血红素及其衍生物为金属催化活性前驱体,通过化学合成法将其嫁接在模板上,构筑层次结构的电催化剂材料。通过调控氮含量及活性部位结构特点,揭示金属氮掺杂中空层次结构与电催化ORR性能之间的构效关系,探究该碳材料中活性位点结构与 O2 的作用机制。重点制备系列的M-NHCS-X多层次中空碳球,其中Fe-NHCS-700催化剂的动力学电流密度(Jk)为22.94 mAcm-2,起始电势为0.90 V(vs RHE),比Pt/C催化剂显示出良好的甲醇耐受性和极高的稳定性,在碱性介质中经过5000次循环后仅产生13.0 mV负电位,其中N-Cx@M-NY-C层次结构中的活性位点相互作用,并实现了外层保护内层的作用机制。基于此基础,我们还构建了一维的层级管状结构的“Heme-PPy-ZIF”和二维石墨烯与血红素的堆叠的层次结构催化剂,实现了制备过程中血红素大环π键与材料结构中π键的相互作用。一维的材料中Fe / Co-N-Cs活性位点展示出了更正的起始电位和半波电位(Eonset = 1.01 V; E1 / 2 = 0.856 V vs.RHE)。良好的催化稳定性归因于PPy和Hemin之间的π-π共轭效应以及ZIF-67中Co离子的牢固嵌入。双活性中心催化剂更显示出Fe-N和Co-N活性位点之间的层次催化作用;二维石墨烯与血红素堆积的层次材料具有较好的层次间隙,实现了石墨烯与血红素之间化学键作用及电荷传递效应。催化性能不逊于JM 20% Pt/C催化剂,但具有显著的耐甲醇性和循环稳定性等优势。. 此外,我们还开展了氮含量丰富的电催化前驱体研究,通过合成技术的调控,成功制备了含有金属的Co(N5)2(H2O)4·4H2O及高氮含量的NH4N5, NH3OHN5, N2H5N5等一些列五唑盐,将为构筑更高活性的电催化剂提供重要的基础。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1016/j.ijhydene.2019.03.271
发表时间:2019
期刊:International Journal of Hydrogen Energy
影响因子:7.2
作者:Zhao Hongwei;Xing Tianyu;Li Lixiang;Geng Xin;Guo Ke;Sun Chengguo;Zhou Weimin;Yang Haiming;Song Renfeng;An Baigang
通讯作者:An Baigang
Fast lithium ion transport in solid polymer electrolytes from polysulfide-bridged copolymers
多硫桥共聚物固体聚合物电解质中的快速锂离子传输
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104976
发表时间:2020-09
期刊:Nano Energy
影响因子:17.6
作者:Sun Chengguo;Wang Zhenxing;Yin Lichang;Xu Shengjun;Ghazi Zahid Ali;Shi Ying;An Baigang;Sun Zhenhua;Cheng Hui-Ming;Li Feng
通讯作者:Li Feng
Synthesis and Characterization of cyclo-Pentazolate Salts of NH4+, NH3OH+, N2H5+, C(NH2)(3)(+), and N(CH3)(4)(+)
NH4、NH3OH、N2H5、C(NH2)(3)( ) 和 N(CH3)(4)( ) 环五唑盐的合成和表征
DOI:10.1021/jacs.8b05106
发表时间:2018
期刊:Journal of the American Chemical Society
影响因子:15
作者:Yang Chen;Zhang Chong;Zheng Zhansheng;Jiang Chao;Luo Jun;Du Yang;Hu Bingcheng;Sun Chengguo;Christe Karl O.
通讯作者:Christe Karl O.
DOI:10.1016/j.apsusc.2019.144438
发表时间:2020
期刊:Applied Surface Science
影响因子:6.7
作者:Zhao Hongwei;Li Lixiang;Liu Yuanyuan;Geng Xin;Yang Haiming;Sun Chengguo;An Baigang
通讯作者:An Baigang
DOI:10.1016/j.cclet.2020.11.035
发表时间:2020-11
期刊:Chinese Chemical Letters
影响因子:9.1
作者:Hongwei Zhao;Yan-qiu Zhang;Lixiang Li;Xin Geng;Haiming Yang;Weimin Zhou;Chengguo Sun;B. An
通讯作者:Hongwei Zhao;Yan-qiu Zhang;Lixiang Li;Xin Geng;Haiming Yang;Weimin Zhou;Chengguo Sun;B. An
五唑阴离子(N5ˉ)的稳定性和爆炸释能的调控机制研究
  • 批准号:
    11972178
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    孙呈郭
  • 依托单位:
国内基金
海外基金