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          Nano Energy: 具有高活性和耐久度的嵌入Co納米粒子的原子分散Co-N-C納米纖維用于氧還原反應

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          Nano Energy: 具有高活性和耐久度的嵌入Co納米粒子的原子分散Co-N-C納米纖維用于氧還原反應

          發布日期:2018-10-19 作者: 點擊:

          轉載自輕子納米

          燃料電池是一種存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化電能的發電裝置,將燃料和空氣分別送進燃料電池便可產生電。燃料電池具有高的能量轉化效率,它直接將燃料的化學能轉化為電能而不需經過燃燒過程,電能轉換效率達到45%-60%。燃料電池種類繁多,包括AFC(堿性燃料電池),PAFC(磷酸燃料電池),SOFC(固態氧化物燃料電池)等。PEMFC(質子交換膜燃料電池)是一種新興的燃料電池,其電解質是一種固體有機膜,在增濕情況下,膜可傳導質子。傳統上使用的催化劑是鉑,工作環境溫度為60℃-80℃,但類似鉑的貴金屬由于價格昂貴,增加燃料電池的生產成本,因此科研人員逐步轉向研究具有高活性和高耐久度的以過渡金屬或氮共摻碳材料為材料的催化劑。近日,中國科學院上海先進研究院聯合南京大學,電子科技大學和南方科技大學共同研發一種具有高活性和高耐久度的嵌入Co納米粒子的Co-N-C納米纖維催化劑,不僅提高氧化還原活性,其半波電勢(E1/2)達到0.778V/RHE, 而且具有優越的耐久度,經過10000次循環后半波電勢僅下降0.009V。更重要的是,該催化劑使PEMFC的功率密度高達0.42W cm-2并且經過100h運作后仍保持高穩定性。


          aCo@SACo-N-C納米纖維催化劑制備示意圖;(b)純Co-N-C納米纖維的透射電鏡圖以及(c)相對應的能譜圖;(dCo@SACo-N-C-10的透射電鏡圖和(e)是相對應的能譜分析;(f)包碳的Co納米顆粒的高分辨透射電鏡圖;(gCo-N-C納米纖維在經像差校正的HAADF-STEM下展示單個Co原子的出現(紅圈標出);(h)單個Co原子的L2,3-edge 電子能量損失譜;(i)氮元素的K-edge電子能量損失譜。

           

          2aCoK邊緣附近的X射線吸收和(b)各種Co-N-C納米纖維催化劑和參考樣品的X射線吸收精細結構的傅立葉變換光譜;c)純Co-N-CCo @ SACo-N-C-10的高分辨率N1s XPS光譜;d)用氮氣吸附法(BET)測試純Co-N-CCo @ SACo-N-C-10的孔徑分布。

           

          a)用線性掃描伏安法(LSV)測量純Co-N-C,Co @ SACo-N-CPt / C催化劑的氧化還原過程(ORR;b)在不同轉速下,用線性掃描伏安法測Co-N / CNF氧化還原得到的K-L;cCo @ SACo-N-CPt / C催化劑的塔菲爾(Tafel)圖;dCo @ SACo-N-C0.1M含飽和氧氣的HClO4溶液中進行10000次循環的耐久性試驗,轉速為900 rpm,掃描速率為10mV s-1,Co @ SACo-N-C催化劑負載量為0.6 mg cm-2,Pt / C20 μgPt cm-2;e) 具有硫氰化物(SCN)毒性的Co @ SACo-N-CORRLSV;f)純Co @ SACo-N-C,Co @ SACo-N-C-L,具有SCN-毒性的Co @ SACo-N-C-L和無CoNNCNF催化劑的ORR活性的比較。

           

          在(aCoNC和(b)附有Co111)厚片的Co @ CoNC的模型上進行ORR過程;c)為其相對能量分布和(dCoN4-CCo @ CoN4-C模型在ORR過程中的狀態密度(DOS)。

           

          5a)氫氣-氧氣作為電極和(b)用各種Co-N-C納米纖維作為陰極,Pt / C作為陽極制備的氫氣-空氣燃料電池的穩態極化曲線,其載荷為4mg cm-20.5mg cm -2;(c)在氫氣-空氣條件和在300mA cm -2的恒定電流密度下進行100小時穩定性試驗。

           

          鏈接:

          https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518305688


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