孤立在氮摻雜碳材料中的單個金屬原子 (M-N-C) 是氧還原反應(ORR) 的有效電催化劑,該反應通過2電子或4電子過程產(chǎn)生 H
2O
2或 H
2O。然而,大多數(shù)M-N-C催化劑只能對一種產(chǎn)物表現(xiàn)出高選擇性,而且選擇性通常受到復雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的調(diào)控。在此,合成了一種炭黑負載的 Co-N-C 催化劑(CB@Co-N-C)。利用其在CB@Co-NC上實現(xiàn)了可調(diào)諧的2電子/4電子行為,H
2O
2產(chǎn)量依賴于電解質(zhì)的pH值和催化劑負載。在催化劑負載量低的酸性介質(zhì)中,CB@Co-N-C 表現(xiàn)出優(yōu)異的質(zhì)量活性和對 H
2O
2生產(chǎn)的高選擇性。在帶有氣體擴散電極的流通池中,通過CB@Co-N-C 在電解質(zhì)循環(huán)模式下實現(xiàn)了5.04 mol h
−1g
−1的 H
2O
2產(chǎn)率,并并在電解質(zhì)非循環(huán)模式下進行了200 h連續(xù)運行。同時,CB@Co-N-C 表現(xiàn)出占主導地位的4電子 ORR 通路,在具有高催化劑負載的 pH 中性介質(zhì)中具有高活性和耐久性。使用CB@Co-N-C 作為陰極催化劑的微生物燃料電池顯示出接近基準 Pt/C 催化劑的峰值功率密度。

Fig 1. CB@Co-N-C的(a)流程示意圖,(b)球差電鏡圖,其中Co原子用紅色圓圈標出和(c)元素分布圖。Co箔,CoPc和CB@Co-N-C的(d)K邊X射線吸收近邊光譜和(e)傅立葉變換擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)。CB@Co-N-C的(f)Co 2p3/2和(g)N 1s XPS光譜。
Fig 2.(a)CB@Co-N-C在RRDE上的LSV曲線(50 μg/cm
2),電解質(zhì)分別為O2飽和的0.1 M KOH,0.1 M PBS(pH=7)和0.5 M H
2SO
4。CB@Co-N-C在三種電解液中的(b)H
2O
2產(chǎn)率和(c)毒化實驗。(d)ORR過程中,計算H
2O
2和H2O生成的催化活性火山曲線圖。(e)H
2O
2在CB@Co-N-C存在下的分解速率。(f)0.4 V下,CB@Co-N-C在三種電解液中引入H
2O
2和O
2時的電流響應。

Fig 3. (a)在O
2飽和的0.5 M H
2SO4中,CB@Co-N-C在不同負載量下的(a)LSV曲線和(b)H
2O
2產(chǎn)率。(c)0.5 M H
2SO
4,0.1 M KOH和0.1 M PBS(pH=7)電解質(zhì)中,CB@Co-N-C在不同催化劑負載量下的H
2O
2產(chǎn)率(at 0.4 V)。(d)CB@Co-N-C和文獻中報道的其它催化劑的質(zhì)量活性比較(at 0.3 V)。

Fig 4. (a)電解質(zhì)循環(huán)模式下的流動池示意圖。(b)電解液循環(huán)模式下,CB@Co-N-C在流動池上的
I-t曲線、H
2O
2累積量和法拉第效率。(c)CB@Co-N-C和文獻中報道的其它催化劑的H
2O
2產(chǎn)率比較(at 0 V)。(d)電解質(zhì)非循環(huán)模式下的流動池示意圖。(e)電解液非循環(huán)模式下,CB@Co-N-C在流動池上的電流密度和H
2O
2產(chǎn)率。流動池中使用的是0.5 M H
2SO
4。

Fig 5. (a)在O
2飽和的0.1 M PBS(pH=7.0)中,CB@Co-N-C、CB@N-C和Pt/C在RRDE上的LSV曲線。其中,轉(zhuǎn)速均為1600 rpm,CB@Co-N-C和CB@N-C的催化劑負載量為400μg/cm
2。(b)中性介質(zhì)中,CB@Co-N-C和文獻中報道的其它催化劑的半波電位比較。(c)在0.6-1.1 V,掃速為100 mV/s時,CB@Co-N-C和Pt/C在5000圈循環(huán)前后的穩(wěn)定性比較。(d)MFC示意圖。CB@Co-N-C、CB@N-C和Pt/C分別作為陰極電催化劑,組裝MFC的(e)電壓輸出曲線和(f)功率密度曲線和電極電勢。
相關(guān)研究工作由華中農(nóng)業(yè)大學Geng Zhang課題組于2023年在線發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上,原文:Carbon Black-Supported Single-Atom Co-N-C as an Efficient Oxygen Reduction Electrocatalyst for H2O2 Production in Acidic Media and Microbial Fuel Cell in Neutral Media。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號