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Low-porosity carbon templates mitigate mass transport limitations in Fe-N-C catalysts
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作者 Hongmin Sun Ziliang Deng +4 位作者 Jingbo Li Shuailong Zhang Mufan Li Haibo Jin Zipeng Zhao 《Nano Research》 2026年第1期399-408,共10页
Fe-N-C catalysts,as promising non-precious metal alternatives for the oxygen reduction reaction(ORR),still suffer from severe mass transport limitations in proton exchange membrane fuel cells(PEMFCs)due to water flood... Fe-N-C catalysts,as promising non-precious metal alternatives for the oxygen reduction reaction(ORR),still suffer from severe mass transport limitations in proton exchange membrane fuel cells(PEMFCs)due to water flooding of active sites embedded in micropores.Although pore engineering through a selected template is a general strategy,the structural features of an ideal template,particularly those governing the exposure of active sites and thus affecting mass transport,remain elusive.Here,we demonstrate that low-porosity carbon templates maximize the ratio of active sites distributed at or near the surface,thereby enhancing their exposure and accessibility while reducing mass transport resistance during the ORR process.The C_(lp-1)@PPy and C_(lp-2)@PPy(PPy=polypyrrole)catalysts,derived from low-porosity carbon templates,achieve peak power densities of 0.96 and 1.03 W·cm^(-2) under H_(2)/O_(2)and 0.50 and 0.52 W·cm^(-2) under H_(2)/air,demonstrating excellent performance in PEMFC tests.Structural and electrochemical characterizations reveal that the enhanced surface exposure of active sites effectively mitigates mass transport resistance during the ORR,thereby offering a general design principle for overcoming mass transport limitations in Fe-N-C catalysts for PEMFC applications. 展开更多
关键词 fe-n-c catalysts low-porosity carbon template surface-exposed atomic sites mass transport oxygen reduction reaction fuel cell
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热解型Fe-N-C催化剂在燃料电池阴极氧还原反应中的应用研究进展
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作者 孙寒雪 李孟雪 +3 位作者 焦芮 李吉焱 朱照琪 李安 《太阳能学报》 北大核心 2025年第12期29-40,共12页
该文总结了近年来铁氮共掺杂碳基催化剂(Fe-N-C)的制备策略和合成方法(模板法、浸渍法、原位捕获法等),重点梳理了以金属有机框架、有机多孔聚合物和生物质为前驱体制备热解型Fe-N-C催化剂的研究现状,讨论了Fe-N-C催化剂中活性位点的结... 该文总结了近年来铁氮共掺杂碳基催化剂(Fe-N-C)的制备策略和合成方法(模板法、浸渍法、原位捕获法等),重点梳理了以金属有机框架、有机多孔聚合物和生物质为前驱体制备热解型Fe-N-C催化剂的研究现状,讨论了Fe-N-C催化剂中活性位点的结构和反应机制,同时对该材料领域当前存在的挑战和未来重点发展方向进行了总结和展望。 展开更多
关键词 燃料电池 催化 氧还原反应 fe-n-c 活性位点
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质子交换膜燃料电池Fe-N-C催化剂活性位点润湿性、黏附性及三相界面传质研究
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作者 黄东 耿莉敏 吕强 《西安交通大学学报》 北大核心 2025年第10期148-159,共12页
为考察质子交换膜燃料电池非贵金属催化剂Fe-N-C构成的阴极催化层三相界面稳定性和传质性能,以沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF-8)为前驱体,引入氧化石墨烯,在800~1200℃温度范围内采用热合成方法制备了一系列Fe-N-C催化剂,通过电化学测试... 为考察质子交换膜燃料电池非贵金属催化剂Fe-N-C构成的阴极催化层三相界面稳定性和传质性能,以沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF-8)为前驱体,引入氧化石墨烯,在800~1200℃温度范围内采用热合成方法制备了一系列Fe-N-C催化剂,通过电化学测试和形貌表征,筛选出氧还原反应催化活性最佳的组别,并分析了其代表性活性位点Fe_(3)N。通过分子动力学模拟,探究了包含Fe_(3)N的阴极催化层三相界面内部传质过程以及决定该结构稳定性的活性位点表面润湿能力及其与离聚物间黏附性。研究结果表明:1000℃热解获得的Fe-N-C-1000催化剂具有最佳催化活性,其极限电流密度为5.18 mA/cm^(2),半波电位为0.86 mV,反应以4电子途径进行;Fe-N-C-1000继承了ZIF-8的十二面体结构,且存在大量孔径约3.9 nm的介孔,其代表性活性位点为Fe_(3)N;在298、358 K下,Fe_(3)N活性位点表面呈现良好亲水性,无论平整表面或纳米颗粒结构,Fe_(3)N和Nafion离聚物间的黏附性均强于Pt;在包含Fe_(3)N的三相界面中,H_(3)O+和O_(2)的扩散系数显著高于Pt/C催化剂三相界面;Fe_(3)N纳米颗粒对H_(3)O+和O_(2)也具有更强吸附能力。该研究结果可为Fe-N-C催化剂活性位点筛选和分子尺度性能评估提供参考。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 fe-n-c催化剂 氧还原反应 分子动力学模拟 三相界面 黏附性 扩散系数
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硅烷偶联剂衍生Fe-N-C阴极电芬顿降解罗丹明B
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作者 马家乐 周鹏飞 +1 位作者 陈帝好 严祥辉 《水处理技术》 北大核心 2025年第4期85-91,共7页
以硅烷偶联剂、三嵌段共聚物F127、邻氨基苯酚为主要前驱体,通过水热法结合热裂解、碱刻蚀合成了系列Fe-N-C材料,研究了F127平均分子量、Fe-N-C材料结构性质与其电催化氧还原反应(ORR)和在电芬顿(EF)系统降解罗丹明B(Rh B)性能间的合成... 以硅烷偶联剂、三嵌段共聚物F127、邻氨基苯酚为主要前驱体,通过水热法结合热裂解、碱刻蚀合成了系列Fe-N-C材料,研究了F127平均分子量、Fe-N-C材料结构性质与其电催化氧还原反应(ORR)和在电芬顿(EF)系统降解罗丹明B(Rh B)性能间的合成-结构-性能关系。结果表明,随着F127平均分子量的增加,制备的Fe-N-C微球的物相及碳结构几乎不受其影响,但总体上Fe-N-C微球分散度变高,颗粒尺寸变小,而其表面氮含量和比表面积都呈现出先增加再降低的趋势;其中利用中等平均分子量(Mn~2900)的F127获得的Fe-N-C材料(APD/o APF/F_(2)-Fe_(1.5)-HT2)兼具有较好的球形度、较高的石墨化程度、最高的氮含量和比表面积以及极低的晶态铁物种含量;相应地,APD/o APF/F_(2)-Fe_(1.5)-HT2以4e-反应途径催化ORR且展示出媲美商业Pt/C催化剂的活性;上述系列Fe-N-C微球作为阴极在EF中也能够实现对Rh B的有效降解,尤其APD/o APF/F_(2)-Fe_(1.5)-HT2在90 min降解Rh B的百分率达92.7%,且显示出良好的循环稳定性。 展开更多
关键词 硅烷偶联剂 三嵌段共聚物F127 fe-n-c催化剂 氧还原反应 电芬顿 罗丹明B
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Fe-N-C单原子催化剂电催化亚硝酸盐制氨
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作者 王雪佳 杨级 +2 位作者 蒋远 董金超 李剑锋 《厦门大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第1期128-136,共9页
[目的]为进一步拓展单原子催化剂在亚硝酸盐还原制氨领域的应用,提出了一种铁-氮-碳(Fe-N-C)单原子催化剂电催化亚硝酸盐还原制氨的新体系.[方法]以二氧化硅为硬模板,2,6-二氨基吡啶为碳氮前驱体,硝酸铁为金属盐,通过“热解-刻蚀”策略... [目的]为进一步拓展单原子催化剂在亚硝酸盐还原制氨领域的应用,提出了一种铁-氮-碳(Fe-N-C)单原子催化剂电催化亚硝酸盐还原制氨的新体系.[方法]以二氧化硅为硬模板,2,6-二氨基吡啶为碳氮前驱体,硝酸铁为金属盐,通过“热解-刻蚀”策略制备了Fe-N-C单原子催化剂,并将其应用于亚硝酸盐制氨反应.[结果]多种结构表征结果显示,Fe-N-C催化剂表面的Fe物种呈现高度分散特征并以单原子形式存在.此外,Fe物种的化学环境主要是+2和+3价混合态,且通过与4个吡啶氮配位而稳定存在,即Fe-N-C催化剂的金属中心微观配位环境为Fe-N4结构.与纯氮碳(N-C)载体相比,本研究制备的Fe-N-C催化剂具有优异的亚硝酸盐还原性能,不仅表现出更高的起始还原电位(0 V vs可逆氢电极),具有接近100%的产氨法拉第效率和高的氨产率[8.4 mg/(h·cm^(2))],并且在连续20次催化循环测试中显示出优异的催化稳定性.[结论]本研究制备的Fe-N-C单原子催化剂对亚硝酸盐还原制氨具有优异的电催化活性,其高活性可能来源于对NO_(2)^(-)的显著吸附,并进一步促进活性氢参与脱氧加氢过程.该Fe-N-C单原子催化亚硝酸盐还原体系可为后续合成氨的活性中心设计提供指导方向. 展开更多
关键词 fe-n-c单原子催化剂 电催化 亚硝酸盐还原 合成氨
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Enhanced electron transfer in Fe-N-C catalysts for nitrobenzene reduction:from electrodes to functional materials
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作者 Biao Wei Daoqing Liu +3 位作者 Ran Peng Yi Zhou Qianwei Li Huazhang Zhao 《Frontiers of Environmental Science & Engineering》 2025年第12期19-35,共17页
The remediation of nitroaromatic-contaminated water systems remains a critical environmental challenge,creating the urgent need for cost-effective,non-precious metal catalysts to increase wastewater biodegradability.I... The remediation of nitroaromatic-contaminated water systems remains a critical environmental challenge,creating the urgent need for cost-effective,non-precious metal catalysts to increase wastewater biodegradability.In this study,we present an Fe/N-functionalized three-dimensional porous carbon(Fe-N-C)catalyst synthesized via a straightforward pyrolysis approach that enables efficient nitrobenzene(NB)degradation via electrochemical and chemical reduction pathways.The hightemperature pyrolysis process facilitates the iron-catalyzed reconstruction of the carbon matrix,resulting in a hierarchically porous structure with increased graphitization and uniformly distributed macrocyclic Fe-N_(4) coordination sites.These structural features give the Fe-N-C catalyst exceptional electron transfer kinetics,catalytic activity,and pH adaptability,surpassing conventional graphite(GR)and nitrogen-doped carbons(NPCs)in NB reduction.Systematic evaluation of the electrochemical reduction performance revealed that the Fe-N-C electrode achieved the highest NB removal efficiency.To further assess the versatility of the catalyst,a functionalized Fe-N-C/zero-valent iron(ZVI)composite was engineered by integrating Fe-N-C as a catalytic layer onto the reductant ZVI.Compared with ZVI alone,this composite markedly increased the NB reduction efficiency.These findings provide valuable insights into the electrochemical reduction process of Fe-N-C and new directions for the rational design of efficient nitrobenzene reduction systems. 展开更多
关键词 NITROBENZENE fe-n-c catalyst Nitrogen-doped porous carbon Electrochemical reduction Functionalized ZVI composite
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热处理温度对Fe-N-C-t催化ORR性能的影响及动力学研究 被引量:1
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作者 张晶 马飞 +1 位作者 柳璐 张蓉 《化工进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第5期1195-1200,共6页
选用天然高分子化合物壳聚糖(CS)与水杨醛(salicylaldehyde)反应生成壳聚糖水杨醛席夫碱(CS-Sal),CS-Sal又与过渡金属Fe盐发生螯合反应,得到壳聚糖水杨醛席夫碱Fe配合物(Fe-CS-Sal)。将Fe-CS-Sal负载于活化的高纯石墨上,在N2氛围中进行... 选用天然高分子化合物壳聚糖(CS)与水杨醛(salicylaldehyde)反应生成壳聚糖水杨醛席夫碱(CS-Sal),CS-Sal又与过渡金属Fe盐发生螯合反应,得到壳聚糖水杨醛席夫碱Fe配合物(Fe-CS-Sal)。将Fe-CS-Sal负载于活化的高纯石墨上,在N2氛围中进行不同温度的热处理,得到系列催化剂Fe-N-C-t(t=200℃,400℃,600℃,800℃,1000℃)。运用循环伏安法(CV)、计时库仑法(CC)研究了Fe-N-C-t催化剂电催化氧还原反应(ORR)的催化性能,并结合FT-IR、XRD结构表征,探索了Fe-N-C-t催化剂电催化ORR的催化活性位。结果表明,催化剂Fe-N-C-1000对ORR的电催化活性最好。同时根据循环伏安法和计时电流法计算得出ORR的动力学参数,提出了在此催化剂上可能发生的ORR的催化机理。 展开更多
关键词 热处理 fe-n-c-t 电化学 催化剂 氧还原 动力学
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Fe-N-C材料的制备及电催化氧还原性能研究
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作者 严祥辉 蒙紫薇 +1 位作者 刘佳 张云杰 《石油化工应用》 CAS 2016年第10期122-125,134,共5页
Fe-N-C材料是目前非常有潜力的一类非贵金属氧还原电极催化剂。本论文分别以导电碳黑(HG-1F)、苯胺、Fe Cl3为碳载体、含氮前驱体、铁前驱体,依次经过聚合、热处理和酸处理获得了多孔Fe-N-C材料。电化学测试结果表明,多孔Fe-N-C材料在0.... Fe-N-C材料是目前非常有潜力的一类非贵金属氧还原电极催化剂。本论文分别以导电碳黑(HG-1F)、苯胺、Fe Cl3为碳载体、含氮前驱体、铁前驱体,依次经过聚合、热处理和酸处理获得了多孔Fe-N-C材料。电化学测试结果表明,多孔Fe-N-C材料在0.1 M KOH中催化氧还原反应(ORR)的活性随酸处理时间呈火山型变化,其中酸处理4 h的样品对ORR具有较高的催化活性,促使ORR主要以4电子反应途径进行。 展开更多
关键词 fe-n-c材料 非贵金属催化剂 苯胺 酸处理 氧还原反应
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新型介孔Fe-N-C阴极催化剂用于微生物燃料电池 被引量:2
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作者 范泽宇 李俊 +3 位作者 杨伟 张亮 廖强 朱恂 《工程热物理学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第12期2859-2865,共7页
使用空气阴极的微生物燃料电池(MFC)能够在回收转化污水产生电能的同时直接利用空气中的氧气从而具有较大的应用前景。因此,阴极良好的氧还原(ORR)反应能力对MFC产电性能起到至关重要的作用。目前铂是公认的ORR性能最好的催化剂,但其价... 使用空气阴极的微生物燃料电池(MFC)能够在回收转化污水产生电能的同时直接利用空气中的氧气从而具有较大的应用前景。因此,阴极良好的氧还原(ORR)反应能力对MFC产电性能起到至关重要的作用。目前铂是公认的ORR性能最好的催化剂,但其价格昂贵,且易受微生物代谢毒化,不适合应用在MFC中。越来越多的研究集中在有良好的催化活性和稳定性的碳质ORR催化剂上。本文利用蛋白核小球藻作为ORR催化剂前驱体提供氮源和碳源,同时通过高温碳化引入铁元素掺杂制备出Fe-N-C ORR催化剂,研究对比了掺杂剂铁元素的价态对催化剂ORR性能的影响。实验得出三价铁直接碳化作为铁源的ORR催化剂获得了丰富的介孔结构,表现出更好的催化活性,在MFC中获得了更高的产电性能。 展开更多
关键词 微生物燃料电池 氧还原反应 蛋白核小球藻 介孔 fe-n-c
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银耳状Fe-N-C复合催化剂的制备及催化氧还原性能研究 被引量:1
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作者 黄燕平 苑红艳 +2 位作者 张健 杨亚辉 刘洪涛 《分析化学》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2017年第9期1297-1302,共6页
以无机铁盐和邻苯二胺为基础原料,经铁(Ⅲ)基螯合前驱体热解反应,制备出Fe-N-C复合催化剂。经扫描电镜观察,带有折褶的碳微纳米片相互交迭,形成银耳状的三维自支撑结构。氮气吸脱附测试表明此结构富含微孔和介孔,比表面积可达290 m^2/g... 以无机铁盐和邻苯二胺为基础原料,经铁(Ⅲ)基螯合前驱体热解反应,制备出Fe-N-C复合催化剂。经扫描电镜观察,带有折褶的碳微纳米片相互交迭,形成银耳状的三维自支撑结构。氮气吸脱附测试表明此结构富含微孔和介孔,比表面积可达290 m^2/g。通过X射线衍射(XRD)确证石墨化C和多晶Fe_3C作为催化剂主相存在,X射线光电子能谱(XPS)进一步揭示N原子主要以石墨N和吡啶N形式掺杂到C骨架中。电化学测试表明银耳状Fe-N-C复合催化剂在碱性条件下催化氧还原反应为四电子过程,其催化活性可媲美商业Pt/C催化剂。经过2000次氧还原测试后,催化极限电流衰减小于5%,并且半波电势仅负移5 mV(商业Pt/C催化剂负移35 mV),表现出优异的氧还原催化稳定性。 展开更多
关键词 氧还原反应 fe-n-c复合催化剂 多孔结构 催化活性 催化稳定性
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Fe-N-C氧还原电催化剂的失活机制及延寿策略 被引量:1
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作者 李隆浩 周伟 +3 位作者 谢亮 杨潮伟 孟晓晓 高继慧 《化学进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2024年第3期376-392,共17页
在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中,Fe-N-C催化剂是最有希望替代Pt的非贵金属氧还原(ORR)催化剂。然而目前高活性Fe-N-C催化剂的实际应用仍然受限于其稳定性不足。本文系统总结了Fe-N-C催化剂常见的合成方法(空间限制法和模板法等),概括了... 在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中,Fe-N-C催化剂是最有希望替代Pt的非贵金属氧还原(ORR)催化剂。然而目前高活性Fe-N-C催化剂的实际应用仍然受限于其稳定性不足。本文系统总结了Fe-N-C催化剂常见的合成方法(空间限制法和模板法等),概括了用于评估催化剂稳定性的半电池与单电池测试方法,分析了两种测试结果存在差异的原因,阐述了Fe-N-C催化剂的4种失活机理,从构筑稳定的碳载体、构筑稳定的活性位点和避免发生Fenton反应三个角度总结了提升稳定性的方法。最后展望了Fe-N-C催化剂未来的发展方向。 展开更多
关键词 质子交换膜燃料电池 氧还原 fe-n-c催化剂 稳定性 失活机制 延寿策略
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磁性介孔Al_(2)O_(3)负载Fe-N-C催化剂的制备及其在卤代硝基苯转移加氢反应中的性能研究 被引量:1
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作者 周丽 李军旗 +2 位作者 张伟 陈朝轶 兰苑培 《分子催化》 CAS CSCD 北大核心 2022年第3期221-234,I0002,共15页
将1,10-邻菲罗啉-Fe^(2+)(Phen-Fe^(2+))负载在磁性介孔Fe_(3)O_(4)@nSiO_(2)@Al(OH)_(3)前驱体上,以三聚氰胺作为碳氮源,经高温碳热还原制备得到磁性介孔Fe-N-C/Fe_(3)O_(4)@nSiO_(2)@Al_(2)O_(3)催化剂.当催化剂的焙烧温度为700℃,Phe... 将1,10-邻菲罗啉-Fe^(2+)(Phen-Fe^(2+))负载在磁性介孔Fe_(3)O_(4)@nSiO_(2)@Al(OH)_(3)前驱体上,以三聚氰胺作为碳氮源,经高温碳热还原制备得到磁性介孔Fe-N-C/Fe_(3)O_(4)@nSiO_(2)@Al_(2)O_(3)催化剂.当催化剂的焙烧温度为700℃,Phen-Fe^(2+)理论负载量为6%,反应时间90 min时卤代硝基苯的转化率及对应苯胺的选择性均高于99.0%.Fe-N-C/Fe_(3)O_(4)@n SiO_(2)@Al_(2)O_(3)具有较大的比表面积和丰富的孔径结构,使得Fe活性物种具有良好的分散性,有利于反应的传质过程.Phen-Fe^(2+)配体能够限制Fe活性物种的过度生长,得到较小粒径尺寸的活性组分.三聚氰胺和Phen经高温焙烧后可以引入介孔氮掺杂碳层,不仅可以对Fe活性物种起到锚定作用,增加催化剂的稳定性,还可以对Fe活性物种起到稳定作用,避免团聚甚至浸出.Fe-N-C/Fe_(3)O_(4)@nSiO_(2)@Al_(2)O_(3)具有的铁磁性,易于通过磁铁分离回收和再循环利用,循环使用7次后其催化活性没有显著降低,亦没有发生脱卤现象. 展开更多
关键词 磁性介孔 Al_(2)O_(3) fe-n-c 转移加氢 卤代硝基苯
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球状多孔Fe-N-C复合催化剂的制备及其氧还原催化性能 被引量:2
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作者 李珅珅 苏苗军 +1 位作者 刘威华 刘勇 《化学研究》 CAS 2018年第4期396-400,共5页
以苯胺为原料,二氧化硅球为硬模板,采用原位聚合法制备出具有多孔结构的氮掺杂碳球,然后以三氯化铁为铁源,利用沉淀法制备出球状多孔Fe-N-C复合催化剂.通过SEM、TEM、EDS等分析手段对Fe-N-C的形貌结构及组成进行了表征,使用旋转圆盘电... 以苯胺为原料,二氧化硅球为硬模板,采用原位聚合法制备出具有多孔结构的氮掺杂碳球,然后以三氯化铁为铁源,利用沉淀法制备出球状多孔Fe-N-C复合催化剂.通过SEM、TEM、EDS等分析手段对Fe-N-C的形貌结构及组成进行了表征,使用旋转圆盘电极测试了其在碱性条件下对氧还原反应的催化活性.结果表明,其起始电位(0.961 V vs RHE)与半波电位(0.835 V vs RHE)与商业化Pt/C相近,经过7 000 s后,Fe-N-C仍保持93.53%的相对电流,显示出优异的氧还原催化稳定性. 展开更多
关键词 fe-n-c复合催化剂 燃料电池 氧还原 碱性
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MOF衍生的Fe-N-C电催化剂,用于高效氧还原反应 被引量:2
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作者 张景涛 王奎 +3 位作者 刘乐 任杰 杨浩伟 闫晓丽 《功能材料》 CAS CSCD 北大核心 2024年第8期8103-8110,8127,共9页
由于传统能源的大量消耗与环境污染等问题,探索高效清洁的新型能源显的越来越重要。锌空电池作为一种绿色清洁能源受到了广泛的关注,然而其阴极氧还原(ORR)反应较为缓慢限制了其大规模应用。因此开发一种高效、绿色经济的非贵金属催化... 由于传统能源的大量消耗与环境污染等问题,探索高效清洁的新型能源显的越来越重要。锌空电池作为一种绿色清洁能源受到了广泛的关注,然而其阴极氧还原(ORR)反应较为缓慢限制了其大规模应用。因此开发一种高效、绿色经济的非贵金属催化剂对氧还原反应至关重要。以金属-有机骨架(MOF)作为前驱体,通过高温热解合成了铁基氮掺杂碳电催化剂(Fe-N-C)。Fe-N-C催化剂由于其较强的金属-氮配位结构可以避免金属原子的聚集和溶解,使金属原子均匀分散在氮掺杂的碳载体上,实现较高的ORR性能。制备的Fe-N-C-2催化剂具有丰富的孔隙结构和大量的Fe-N X活性位点。其在碱性电解质中半波电位为0.91 V,在酸性电解质中半波电位为0.75 V。同时将其应用于锌空电池具有高达1.47 V的开路电压和163.1 mW/cm^(2)的功率密度。该策略为设计二维结构以构建高性能电催化剂提供了一种有前途的方法。 展开更多
关键词 非贵金属催化剂 金属-有机框架 fe-n-c 氧还原反应 锌空气电池
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P修饰提高Fe-N-C的氧反应活性用于高稳定的锌-空气电池 被引量:1
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作者 张光颖 刘旭 +6 位作者 张欣欣 梁志坚 邢耕宇 蔡斌 沈迪 王蕾 付宏刚 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第6期141-151,共11页
生物质碳基材料具有可调的微观结构、丰富的表面活性中心、优良的导电和导热性能以及较大的比表面积,已经成为新能源领域的重要基础材料.然而,应用于锌-空气电池中时,碳基材料高电位下的碳腐蚀问题严重影响了电池的稳定性,因此,开发具... 生物质碳基材料具有可调的微观结构、丰富的表面活性中心、优良的导电和导热性能以及较大的比表面积,已经成为新能源领域的重要基础材料.然而,应用于锌-空气电池中时,碳基材料高电位下的碳腐蚀问题严重影响了电池的稳定性,因此,开发具有低过电位的析氧反应(OER)催化剂来降低充电电压是解决该问题的关键.本课题组采用一种低温磷化策略制备了具有低OER过电位的P修饰的Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N和生物质碳复合催化剂(P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC),其具有较好的双功能氧反应活性,氧还原反应(ORR)的半波电位为0.86 V,仅需要280 m V的OER过电位就可以达到10 m Acm-2的电流密度.以P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC作为正极组装的锌-空气电池表现出低的充放电电压差和长期稳定性,在目前报道的碳基催化剂应用于锌-空气电池中具有很大优势.此外,采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱和氧气程序升温脱附(O2-TPD)等技术研究了磷化对催化剂的结构和催化性能带来的差异原因,并利用密度泛函理论(DFT)计算研究了催化剂的OER反应机制.XPS测试结果表明,P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC的P 2p轨道观察到P-M键、P-C键和P-O键,证实P在碳纳米结构中的成功修饰.Fe_(2)pXPS谱显示,P的掺入使Fe_(2)p峰向低结合能方向移动,这表明P的表面改性改变了金属Fe物种的表面电子构型.此外,拉曼光谱结果表明,P掺杂后样品的ID/IG值增加,说明结构中具有更多的缺陷,为ORR反应提供更多的催化活性位.O2-TPD结果表明,两种催化剂在低温区域(<500℃)表现为表面缺陷上的化学吸附氧,在高温区域(>500℃)表现为晶格氧释放,这说明了催化剂中都存在表面氧空位.与P-Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC的脱附氧物种相关的峰值温度低于Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N@NPC,证明P修饰可以使催化剂具有更好的吸附/脱附氧能力,进一步降低了吸附氧分子的活化能垒.利用DFT计算分析了OER活性增强的原因.DOS结果显示,与位于E_(V)在-0.543 eV的Fe_(3)O_(4)/Fe_(2)N模型的Fe-3d-t2g相比,引入P的P-Fe_(3)O_(4)和P-Fe_(2)N模型分别正移到-0.442和-0.493 eV(E_(V)=0为EF(费米能级)),更接近EF.这表明,在电化学反应过程中,表面P的修饰促进了Fe位点的电子转移能力.不同模型OER/ORR过程中间体的自由能结果表明,OER的速率决定步骤为*OOH→O2,P-Fe_(3)O_(4)和P-Fe_(2)N模型的速率决定步骤自由能分别为2.25和1.02 eV,比Fe_(3)O_(4)(2.36 eV)和Fe_(2)N(1.25 eV)模型更低,说明P改性降低了驱动OER所需的最小过电位.综上,P修饰可以调节Fe位点的电子结构,促进氧中间物的吸附和解吸,从而改善OER的性能. 展开更多
关键词 fe-n-c催化剂 磷修饰 氧还原反应 析氧反应 锌-空气电池
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Fe-N-C catalysts for PEMFC: Progress towards the commercial application under DOE reference 被引量:8
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作者 Lina Wang Xin Wan +2 位作者 Shuangyu Liu Li Xu Jianglan Shui 《Journal of Energy Chemistry》 SCIE EI CAS CSCD 2019年第12期77-87,共11页
Proton exchange membrane fuel cells(PEMFC)have attracted much attention because of their high energy conversion efficiency,high power density and zero emission of pollutants.However,the high cost of the cathode platin... Proton exchange membrane fuel cells(PEMFC)have attracted much attention because of their high energy conversion efficiency,high power density and zero emission of pollutants.However,the high cost of the cathode platinum group metal(PGM)catalysts creates a barrier for the large-scale application of PEMFC.Tremendous efforts have been devoted to the development of low-cost PGM-free catalysts,especially the Fe-N-C catalysts,to replace the expensive PGM catalysts.However,the characterization methods and evaluation standards of the catalysts varies,which is not conducive to the comparison of PGM-free catalysts.U.S.Department of energy(DOE)is the only authority that specifies the testing standards and activity targets for PGM-free catalysts.In this review,the major breakthroughs of Fe-N-C catalysts are outlined with the reference of DOE standards and targets.The preparation and characteristics of these highly active Fe-N-C catalysts are briefly introduced.Moreover,the efforts on improving the mass transfer and the durability issue of Fe-N-C fuel cell are discussed.Finally,the prospective directions concerning the comprehensive evaluation of the Fe-N-C catalysts are proposed. 展开更多
关键词 PEMFC fe-n-c catalysts U.S.DOE Test standards Activity targets
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Hydrogen etching induced hierarchical meso/micro-pore structure with increased active density to boost ORR performance of Fe-N-C catalyst 被引量:4
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作者 Liqin Gao Meiling Xiao +3 位作者 Zhao Jin Changpeng Liu Junjie Ge Wei Xing 《Journal of Energy Chemistry》 SCIE EI CAS CSCD 2019年第8期17-23,I0002,共8页
Rational regulation on pore structure and active site density plays critical roles in enhancing the performance of Fe-N-C catalysts. As the microporous structure of the carbon substrate is generally regarded as the ac... Rational regulation on pore structure and active site density plays critical roles in enhancing the performance of Fe-N-C catalysts. As the microporous structure of the carbon substrate is generally regarded as the active site hosts, its hostility to electron/mass transfer could lead to the incomplete fulfillment of the catalytic activity. Besides, the formation of inactive metallic Fe particles during the conventional catalyst synthesis could also decrease the active site density and complicate the identification of real active site. Herein, we developed a facial hydrogen etching methodology to yield single site Fe-N-C catalysts featured with micro/mesoporous hierarchical structure. The hydrogen concentration in pyrolysis process was designated to effectively regulate the pore structure and active site density of the resulted catalysts.The optimized sample achieves excellent ORR catalytic performance with an ultralow H2O2 yield(1%)and superb stability over 10,000 cycles. Our finding provides new thoughts for the rational design of hierarchically porous carbon-based materials and highly promising non-precious metal ORR catalysts. 展开更多
关键词 HIERARCHICAL meso/micro-pore structure HYDROGEN ETCHING Single site fe-n-c catalysts Carbon-nitrogen-coordinated iron(FeN4) Oxygen reduction reaction
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Secondary-Atom-Doping Enables Robust Fe-N-C Single-Atom Catalysts with Enhanced Oxygen Reduction Reaction 被引量:10
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作者 Xin Luo Xiaoqian Wei +5 位作者 Hengjia Wang Wenling Gu Takuma Kaneko Yusuke Yoshida Xiao Zhao Chengzhou Zhu 《Nano-Micro Letters》 SCIE EI CAS CSCD 2020年第11期281-291,共11页
Single-atom catalysts(SACs) with nitrogen-coordinated nonprecious metal sites have exhibited inimitable advantages in electrocatalysis.However,a large room for improving their activity and durability remains.Herein,we... Single-atom catalysts(SACs) with nitrogen-coordinated nonprecious metal sites have exhibited inimitable advantages in electrocatalysis.However,a large room for improving their activity and durability remains.Herein,we construct atomically dispersed Fe sites in N-doped carbon supports by secondary-atom-doped strategy.Upon the secondary doping,the density and coordination environment of active sites can be efficiently tuned,enabling the simultaneous improvement in the number and reactivity of the active site.Besides,structure optimizations in terms of the enlarged surface area and improved hydrophilicity can be achieved simultaneously.Due to the beneficial microstructure and abundant highly active FeN_5 moieties resulting from the secondary doping,the resultant catalyst exhibits an admirable half-wave potential of 0.81 V versus 0.83 V for Pt/C and much better stability than Pt/C in acidic media.This work would offer a general strategy for the design and preparation of highly active SACs for electrochemical energy devices. 展开更多
关键词 Single-atom catalysts fe-n-c catalysts DOPING Porous nanostructures Oxygen reduction reaction
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Fe-N-C类催化剂在碱性燃料电池中的研究进展 被引量:4
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作者 邓昕 陈亨权 +1 位作者 胡野 和庆钢 《电化学》 CAS CSCD 北大核心 2018年第3期235-245,共11页
随着阴离子交换膜的出现、发展和应用,碱性燃料电池的优势日趋明显,针对碱性燃料电池的研究也更广泛而深刻.在碱性燃料电池中,除了其固有的对催化剂的高包容性和动力学优越性,阴离子交换膜让阴离子定向迁移,从而实现了很好的水相管理,... 随着阴离子交换膜的出现、发展和应用,碱性燃料电池的优势日趋明显,针对碱性燃料电池的研究也更广泛而深刻.在碱性燃料电池中,除了其固有的对催化剂的高包容性和动力学优越性,阴离子交换膜让阴离子定向迁移,从而实现了很好的水相管理,降低了电池中"水涝"的几率,也提供了更广阔的燃料选择空间.氧还原反应是碱性燃料电池中的重要部分,且其反应动力学相较于氢氧化反应缓慢.因此,选择并研制合适的阴极氧还原反应催化剂,是提高碱性燃料电池性能和促进燃料电池规模化使用的关键.Fe-N-C类催化剂因其在碱性条件下接近甚至优于Pt基催化剂的性能,被视为最有潜力替代Pt的非贵金属催化剂.本文从近5年来Fe-N-C类催化剂的合成方法、催化活性位点和氧还原反应机理以及在燃料电池中的应用三方面进行了综述. 展开更多
关键词 燃料电池 氧还原 fe-n-c 催化剂
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一锅法制备Fe_(2)O_(3)@Fe-N-C氧还原电催化剂及其锌-空气电池的性能研究 被引量:2
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作者 林华 吴艺津 +1 位作者 李君涛 周尧 《电化学》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期366-376,共11页
在金属空气电池和燃料电池阴极上的氧还原反应(ORR)对相关电化学能量转换装置的整体性能有重要影响,金属-氮-碳催化剂有望替代传统的商业Pt-C成为新一代ORR电催化剂。本文通过简便的一步热解工艺合成了具有Fe-N_(x)活性位点和Fe_(2)O_(3... 在金属空气电池和燃料电池阴极上的氧还原反应(ORR)对相关电化学能量转换装置的整体性能有重要影响,金属-氮-碳催化剂有望替代传统的商业Pt-C成为新一代ORR电催化剂。本文通过简便的一步热解工艺合成了具有Fe-N_(x)活性位点和Fe_(2)O_(3)纳米颗粒共存的电催化剂,Fe_(2)O_(3)@Fe-N-C-1000催化剂在0.1 mol·L^(-1) KOH溶液中表现出良好的ORR活性,半波电位为0.84 V,应用在锌-空气电池中时也具有可以和商业Pt-C媲美的性能,能量密度为88.3 mW·cm^(-2),同时和Pt-C相比具有更好电化学稳定性,表现出优良的ORR应用潜力。 展开更多
关键词 空心碳小球 fe-n-c Fe_(2)O_(3) 氧还原反应 锌-空气电池
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