镍氮掺杂石墨炔用作高效氧还原电催化剂

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230120

摘要/Abstract

摘要：

氧还原反应是燃料电池中至关重要的一环。常规的氧还原反应催化剂是贵金属铂，但鉴于铂的高成本，研究者希望寻找一种低成本的替代催化剂，它更便宜并且具有相当于铂的催化效果。在前期研究中，已经对铁氮共掺杂石墨炔和钴氮共掺杂石墨炔进行了研究，它们均表现出了高效的氧还原反应活性，而与之具有相似电子结构的金属镍尚未研究。因此，此工作以氢取代石墨炔为基底，设计并合成了多种镍氮掺杂的石墨炔电催化剂，并进行了氧还原电化学测试，其中，镍质量分数2%并加入三聚氰胺进行烧制的镍氮掺杂石墨炔催化剂表现出最佳的氧还原电催化性能。对催化剂进行了一系列的物理表征： X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM），进一步分析了其结构和形貌。从物理表征及电化学测试结果可以看出，氮原子是构建催化活性位点的关键，而镍原子在提高催化剂性能方面起着至关重要的作用，氮和镍的协同作用使得镍氮掺杂石墨炔催化剂表现出优异的催化性能，这使其具有良好的应用前景。

关键词: 镍氮掺杂石墨炔, 氧还原反应, 电催化, 协同作用

Abstract:

Oxygen reduction reaction is a crucial process for fuel cells. Conventional oxygen reduction catalysts are the precious metal platinum， but given the high cost of platinum， researchers want to find a low-cost alternative catalyst that is cheaper and has the equivalent catalytic activity to platinum. In previous studies， iron-nitrogen-doped graphdiyne and cobalt-nitrogen-doped graphdiyne have been studied， and they all show efficient oxygen reduction reaction activity， while nickel， with similar electronic structure with iron and cobalt， has not been studied. Therefore， in this work we design and synthesize various nickel-nitrogen-doped graphdiyne electrocatalysts using hydrogen as a substitute for graphiyne， and conduct redox electrochemical tests. The nickel-nitrogen-doped graphdiyne catalyst containing 2% nickel and melamine shows the best electrocatalytic performance for oxygen reduction. We conduct a series of physical characterizations for the catalysts： X-ray diffraction （XRD）， X-ray photoelectron spectroscopy （XPS）， transmission electron microscope （TEM）， scanning electron microscope （SEM） to further analyze their structure and morphology. It can be seen from the physical characterization and electrochemical tests that nitrogen atoms are the key to construct the catalytic active site， and nickel atoms play a vital role in improving the performance of the catalysts. With the synergistic effect of nitrogen and nickel， the nickel nitrogen-doped graphdiyne catalyst shows excellent catalytic performance， which makes it have a good application prospect.

Key words: Nickel-nitrogen-doped graphdiyne, Oxygen reduction reaction, Electrocatalysis, synergistic effect

中图分类号:

O646

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图/表 6

图1 Ni-N-HsGDY催化剂的合成示意图

Fig.1 Synthesis diagram of Ni-N-HsGDY catalyst

图2 （A）氢取代石墨炔、（B） Ni-N-HsGDY-0.2%、（C） Ni-N-HsGDY-2%和（D） Ni-N-HsGDY-5%的SEM图； Ni-N-HsGDY-2%的SEM图（E）和其元素分布图（F为C元素，G为N元素，H为Ni元素）SEM image （E） of Ni-N-HsGDY-2% and its element distribution map （F represents C element， G represents N element， H represents Ni element）

Fig.2 SEM imagens of （A） HsGDY，（B） Ni-N-HsGDY-0.2%，（C） Ni-N-HsGDY-2% and （D） Ni-N-HsGDY-5%；

图3 （A）氢取代石墨炔、（B） Ni-N-HsGDY-0.2%、（C） Ni-N-HsGDY-2%和（D） Ni-N-HsGDY-5%的TEM图像

Fig.3 TEM images of （A） HsGDY，（B） Ni-N-HsGDY-0.2%，（C） Ni-N-HsGDY-2% and （D） Ni-N-HsGDY-5%

图4 Ni-N-HsGDY材料的（A）XRD图和（B）Ni2p的XPS谱图

Fig.4 （A） The XRD and （B） XPS spectra of Ni2p for Ni-N-HsGDY materials

图5 Ni-N-HsGDY-2%的（A）C1s、（B）N1s、（C）O1s和（D）Ni2p区域的XPS谱图

Fig.5 XPS spectrogram of （A） C1s，（B） N1s，（C） O1s and （D） Ni2p regions for Ni-N-HsGDY-2%

图6 （A）不同温度下、（B）不同镍含量及（C）有无三聚氰胺的Ni-N-HsGDY的电化学活性测试；（D） Ni-N-HsGDY-2%的电子转移数和过氧化物产率

Fig.6 Electrochemical tests of Ni-N-HsGDY catalysts （A） at different temperatures，（B） with different Ni contents，（C） with or without melamine；（D） Electron transfer number and peroxide yield of Ni-N-HsGDY-2%

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