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闾敏副研究员、谢小吉教授，JMCA：木耳遇上钴，催化ORR
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闾敏副研究员、谢小吉教授，JMCA：木耳遇上钴，催化ORR

闾敏副研究员、谢小吉教授，JMCA：木耳遇上钴，催化ORR 科学材料站
2021-03-24
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导读：该工作报道了以廉价的生物材料-木耳为前驱体，通过浸渍-预碳化-活化的方法，制备含Co组分的碳基电催化剂。


文章信息

木耳衍生多孔碳上原位溶出的Co组分在宽pH范围内催化氧还原反应
第一作者：徐宇，张海艳
通讯作者：闾敏*，谢小吉*
单位：南京工业大学

研究背景

氧还原反应(ORR)是燃料电池技术中重要的电化学过程，但其动力学过程缓慢，催化剂必不可少。尽管铂基催化剂在ORR中的应用取得了成功，但铂基催化剂的固有局限性促使人们继续努力开发可实际应用的非贵金属催化剂。
在碳基体中加入过渡金属活性位点，特别是Co组分，是开发高效ORR催化剂的合理途径。然而，以一种经济有效且简便的方式制备含Co组分的碳基催化剂仍然具有挑战性。
此外，含Co组分的碳催化剂多在碱性电解液中进行研究，对于含Co碳催化剂在不同pH值电解质中的ORR中活性位点的作用的认识非常有限。因此开发一种低成本易操作的方法制备高效的含Co组分碳基催化剂，将加速ORR动力学，促进其在燃料电池中的实际应用。

文章简介

近日，南京工业大学闾敏副研究员和谢小吉教授在Journal of Materials Chemistry A上发表题为“In situ exsolved Co components on wood ear‐derived porous carbon for catalyzing oxygen reduction over a wide pH range”的研究工作。
该工作报道了以廉价的生物材料-木耳为前驱体，通过浸渍-预碳化-活化的方法，制备含Co组分的碳基电催化剂。
所获得的电催化剂在广泛pH环境下具有优异的ORR性能，在实际燃料电池中同样显示出极佳的催化性能。该催化剂中多种催化活性位点协同作用，使其产生了与Pt/C催化剂相当的催化性能。
图1. 以木耳为前驱体制备Co-C催化剂的示意图。

本文要点

要点一：利用生物特性的独特合成方法
天然的木耳富含碳水化合物和蛋白质，在世界范围内广泛养殖且生长快速。干燥的木耳具有独特的吸水性，可吸收大量的水溶液使体积膨胀。
作者利用木耳这一特性，将Co组分引入木耳内部，在随后碳化过程中金属原位溶出产生含Co的碳催化剂。该方法简单易操作，在经济上成本低廉，可拓展至制备其他同类材料。

要点二：在广泛pH范围内优异的ORR催化性能
经实验证明，所得的催化剂在广泛pH范围内具有优异的ORR催化性能，特别是在碱性电解液中，性能最佳的Co-C-16催化剂可以与Pt/C催化剂相当。
当应用于实际燃料电池时，所得到的Co-C催化剂具有良好的催化ORR的能力，含钴碳催化剂在碱性和中性电解质可产生比Pt/C催化剂更高的产电性能。

要点三：不同Co组分对催化ORR的贡献
Co-C-16催化剂在较宽的pH范围内均表现出优异的ORR催化性能，高于没有Co的Co-C-0催化剂，因此Co组分在催化过程中功不可没。
结合XRD、EDS和XPS，Co-C-16催化剂中有两种类型的Co活性位点，钴纳米粒子和分散良好的CoNx结构。作者通过实验独立研究了两种类型的Co基活性位点在碱性和中性电解质中的影响。
实验结果表明，在Co-C-16催化剂中，Co纳米粒子在碱性电解质中对ORR的催化具有显著的促进作用，而分散的CoNx结构可提高催化剂在中性电解质中催化性能。多种活性位点共存，使Co-C-16催化剂可在较宽的pH范围内有效的催化ORR。

文章链接

In situ exsolved Co components on wood ear-derived porous carbon for catalyzing oxygen reduction over a wide pH range
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/TA/D1TA00495F#!divAbstract

通讯作者介绍

闾敏 博士 南京工业大学副研究员，硕士生导师，江苏省青年科技人才托举工程入选者。
主要从事纳米电催化研究，近年来在碳基材料和二维材料的构筑及其在能源领域的应用方面取得了系列进展，在Nano Energy，Nano Res.，Small等期刊发表SCI论文二十余篇，被引1000余次。

谢小吉 教授，博士生导师。
2013年博士毕业于新加坡国立大学，随后在新加坡国立大学化学系从事博士后工作，2014年加入南京工业大学先进材料研究院，现为南京工业大学教授，博士生导师。主要研究方向为稀土掺杂发光纳米材料等无机功能纳米材料的可控合成和应用。


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