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小强强读封面–Advanced Materials特辑(四)

Advanced Materials 封面(四):以g-C3N4为模板的N-掺杂的多孔碳纳米层,可用作氧还原反应的无金属高效电催化剂

Back cover: Nitrogen-Doped Porous Carbon Nanosheets Templated from g-C3N4 as Metal-Free Electrocatalysts for Efficient Oxygen Reduction Reaction

Huijun Yu,Lu Shang,Tong Bian,Run Shi,Geoffrey I. N. Waterhouse,Yufei Zhao,Chao Zhou,Li-Zhu Wu,Chen-Ho Tung,Tierui Zhang

封4,Yu

背景介绍

电化学氧还原反应(ORR)在许多能量存储和转化器件(包括金属-空气电池和染料电池)中扮演者至关重要的角色。ORR的慢动力学限制了这些器件的效率和性能,上帝关上一扇门,必然打开一扇窗。正是这个限制,激励着科学家开发提高器件性能的催化剂。传统基于铂的电极综合性能最好,然而,高能耗、Pt元素的低自然丰富度使Pt基电催化剂的大规模商业化困难重重。此外,Pt基电催化剂易团聚、易钝化,尤其当存在有CO或甲醇时,这降低了ORR长期使用性能。因此,我们必须找到可与Pt催化活性相比的低能耗电催化剂。

01

最近这些年,产生了一批碳基材料,来替代Pt和其他稀有金属作为ORR的电催化剂,表现出优异的催化活性和对CO中毒、甲醇交叉效应较好的抵抗性。然而,无金属碳基催化剂的ORR性能在ORR的半波长电位和起始还原电位方面仍劣于Pt/C催化剂。为了克服现在无金属碳基系统(典型的是N掺杂的碳)的性能不足,我们需要解决两个关键因素。1,N掺杂的机理和范围,可大幅度提高碳材料的亲电性,从而产生ORR的活性域。掺N的碳材料容易制得,通过加热富N的化合物或者前驱体,(比如:氨腈、三聚氰胺、尿素、多巴胺、吡咯、苯胺等),在惰性气氛中温度不断升高。在最终碳产物中氮浓度很低,原子百分比3-9%,表明氮在高温下很容易失去。2,影响氮掺杂的碳材料在ORR中的性能的关键因素是其多孔性,多孔性对产率影响很大,并且影响质量和电子传递现象。通常来说,人们渴望得到高微孔/多孔结构,于是人们利用多种模板(冰、二氧化硅、聚苯乙烯和纤维素),以在氮掺杂过程中给予其更多的多孔。这些“失去的蜡状物”模板前驱体有短板,因为他们的反应物通常有毒(比如对SiO2模板来说,需要HF刻蚀),为除去图案需要长时间浸泡在有机溶剂中。对于ORR应用来说,必须找到一种简易合成方法来生产无金属碳材料,该碳材料需同时具有较高水平的氮掺杂量和较丰富的多孔结构。

02

研究介绍

本文中,作者成功合成了具有微孔、中孔结构的氮掺杂碳纳米层,其比表面积高(1077m2·g-1),氮含量高(原子百分比11.6%),制备过程中的模板和氮源均为。是一种共轭有机半导体,由sp2杂化的N原子和C原子组成,N含量为57.1%(原子百分比),是目前已知的含N量最高的化合物之一。更进一步,具有多种3维孔状结构的g-C3N4可通过控制反应条件制得。很重要的一点是,它在温度高于710℃时完全分解,N-掺杂的碳材料通常在900℃合成,而此时g-C3N4完全分解,所以省去了消除模板的后合成过程。之前已经有人利用g-C3N4作为氮源制备金属氮化物和氮掺杂石墨烯。据作者所知,还没有人利用g-C3N4同时作为模板和氮源来制备高氮掺杂量的多孔碳材料。作者用自己的实验证实,此路行得通,纳米层的形貌和组成可通过合成参数来加以控制。制备的纳米层与一种商业化的Pt/C标准电催化剂相比,制备的N掺杂纳米层ORR活性与其相当,持久性和耐甲醇性质优于后者。

03

 

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