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Nature:真假石墨烯!

[摘要]氢离子作物物交换膜食物电池(PEMFC)是最具典型的的打扫精神匹配经过,它将氢和氧的化学能转变为电能。,无污染、高转变率等优势,依从的多种勤勉产生轻松氛围的。。,是未婚妻电动车辆的梦想精神形状。。。

氢离子作物物交换膜食物电池(PEMFC)是最具典型的的食物电池经过。,它将氢和氧的化学能转变为电能。,无污染、高转变率等优势,依从的多种勤勉产生轻松氛围的。。,是未婚妻电动车辆的梦想精神形状。。。在PEMFCs,负电极的氧复原反应性(ORR)是速率把持靠近。,触媒剂必要加快。,眼前,它依靠贵金属触媒剂Pt/C。。为了本钱驳倒,助长食物电池大规模有充其量的的,研制了很多的非铂触媒剂。,次要包罗非贵金属触媒剂(以Fe-N-C基线为代表)及非金属触媒剂(以十亿分之一公尺碳基线为代表)。非贵金属触媒剂在立体图形酸氢离子作物物交换膜食物电池测验中具有较高的积极的。,但波动性较差。,研制波动的非铂触媒剂具有重要意义。。

在古代的调查传达,氮掺杂碳十亿分之一公尺基线(Shi Mo)、CNTs具有优良的食物电池波动性,非金属触媒剂(N-掺杂碳)差不多关怀 Nanomaterials Are Durable Catalysts for Oxygen Reduction Reaction inAcidic Fuel Fells,Science Advances, 2015, 1, e1400129)。不计杂原子掺杂的碳基线,有缺陷的碳也能全然催化氧复原。,还,主体先前的表征是在碱性E中举行的。,氢离子作物物交换膜食物电池效能接近于酸性产生轻松氛围的的报道略微。;另一个,碳缺陷旺盛生长较多。,引渡的碳十亿分之一公尺基线有时有多个缺陷位点。,这障碍了对碳缺陷的假设的特点的身份证明。。

近亲,现在称Beijing航天大学蒋江兰调查集合训练,氢离子作物物交换膜食物电池中粗劣的碳的充其量的、波动氧复原催化,这篇论文颁发在《类型消息》(土居)上。,该论文作为Featurearticle被《类型消息》恢复健康于近亲的Editor’ 高能基线一份遗产。JACILYNNBRANT编辑评论:本钱和波动性障碍了氢离子作物物交换的大规模勤勉。分解了具有粗劣的边界的石墨烯十亿分之一公尺带。,用于电催化氧复原反应性。,这种非金属触媒剂在食物中具有优良的比功率和波动性。。” ( “Cost and stability of catalysts hinder widespread use of protonexchange membrane fuel 细胞。 Here the authors synthesize zigzag-edged graphenenanoribbons for electrocatalysis of oxygen 缩减。 Employment of such ametal-free catalyst in a fuel cell yields remarkable power density anddurability.” )

触媒剂预备:率先,我们的必要找到具有绝对单一缺陷的碳十亿分之一公尺基线。。石墨烯十亿分之一公尺带(GNRs)具有更多的边界缺陷。,并经过改建分解办法。,调控边界的缺陷旺盛生长,譬如,旅行和倚靠翻开多壁碳十亿分之一公尺管的浓蓝矾,可以预备具有单一粗劣的缺陷的石墨烯十亿分之一公尺带(自然) 2009,458,872-876)。这样,石墨烯十亿分之一公尺带是梦想的碳缺陷。。还,石墨烯十亿分之一公尺带注意积聚,主体边界缺陷不克不及揭露于反应性物中。,形成十亿分之一公尺带的催化效能不克不及使充分活动。一份遗产吐艳的碳十亿分之一公尺管被用作骨瘦如柴的。,起到援助、分开GNRS的效能;同时,在触媒剂层中加法黑烟末颗粒。,催化层传质充其量的的加速器。催化层妥协的设计废止了GN领到的传质,最大值化缩进排版碳揭露。。调查人员还预备了一些结平战利品。,包罗全开GNR、对照组用N-GNR@ CNT和N-GNR战利品举行氮处置。。

Fig. 1 Schematic 扮演角色。 The synthetic route of zigzag-type graphene nanoribbons on carbon nanotubes (GNR@ CNT) from a MWCNT to b partially unzipped oxidized CNT and to c GNR @ CNT。 d The application as oxygen reduction reaction catalyst in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) Carbon black XC-72 is used as spacer to prevent the stacking of active materials

Fig. 2 Transmission electron microscopy images and schematic 为设计情节。 a, b Partially unzipping multiwall carbon nanotube (MWCNT) to graphene nanoribbons on carbon nanotube (GNR@ CNT), c, d nitrogen-doped GNR @ CNT (N-GNR @ CNT), e, f totally unzipped MWCNT to graphene nanoribbons (GNR), and g, h nitrogen-doped GNR (N-GNR). Scale bar: 100 nm, and 10 nm for inset micrograph in g

半电池试验:在碱性电解液里GNR @ CNT建造较高积极的,但稍弱于N-GNR @ CNT,可感激氮掺杂积极的位点具有高尚的的碱性积极的和氨水雕刻的十亿分之一公尺孔洞驳倒了传质阻碍。酸性下ORR测验传达GNR @ CNT的zigzag碳积极的位点比N掺杂的碳积极的位点具有高尚的的原点电位和极点电流,这是因N掺杂战利品的氮苯氮轻易氢离子化。,标志了绝对杂原子掺杂的碳触媒剂。,有缺陷的碳积极的位点对酸性电解液有较好的可塑性。的比较级的过氧化反应羟化物试验(PRR)显示GNR @ CNT上氧复原到水的手续以指导4电子手续尽。还见,碳缺陷的积极的对气温敏感。,积极的跟随产生轻松氛围的气温的举而补充物。。

Fig. 3 Half-cell characterization of the 触媒剂。 Linear sweep voltammetry curves of graphene nanoribbons on carbon nanotubes (GNR@ CNT), N-doped GNR @ CNT (N-GNR @ CNT), and N-doped graphene nanoribbons (N-GNR) for a oxygen reduction reaction (ORR) activity, b peroxide reduction reaction (PRR) activity with 1.3 or 10 mM H2O2, and c ORR activity at 5, 25, and 35 °C in 0.1 M KOH; d ORR activity, e PRR activity with 1.3 or 10 mM H2O2, and f ORR activity at 5, 25, and 35 °C in 0.5 M H2SO4 Electrolyte was O2-saturated, except for PRR experiments with Ar-saturated 电解液。 Rotating speed: 1600 每分钟盘旋。 Scan rate: 10 mV s-1

氢离子作物物交换膜食物电池测验:GNR @ CNT通行最大集打中比功率520W/g-,比事实上所其打中一部分非金属触媒剂和主体非贵金属触媒剂都多。。触媒剂装货、触媒剂层厚度对催化层传质的侵袭,那时的明显侵袭电池效能。,过量的触媒剂装货将事业基线可得到的东西的落下。。更为重要的见是GNR @ CNT的zigzag碳积极的位点建造相当波动的电池效能,恒压、80℃、氢/氧氢离子作物物交换膜食物电池的饱和状态湿度与NIT似。,远高于Fe—N-C触媒剂。。

Nature:真假石墨烯!

Fig. 4氢离子 exchange membrane fuel cell 评价。 Polarization and power density curves of graphene nanoribbons on carbon nanotubes (GNR@ CNT), N-dope GNR @ CNT (N-GNR @ CNT), and N-doped graphene nanoribbons (N-GNR) as a function of the areal current density with cathode catalyst A的装入 mg cm-2 and b 0.50 mg cm-2 in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC);C波动性 of the indicated catalysts in PEMFC measured at 0.5 V. The absolute current densities before durability tests (AT) 100%) were 136, 80 and 1216 mA cm-2 for graphene nanoribbons on carbon nanotube (GNR@ CNT), nitrogen-doped catalyst (N-GNR @ CNT), and reference catalyst iron-nitrogen-carbon (Fe/N/C), 辨别出。 Weight ratio of Nafion/ catalyst/carbon black (XC-72) = 5/1/4. Cell: 80 °C; H2/O2: 80 °C, 100% relative humidity, 2 bar back pressure

催化结构剖析:密度泛函学说(DFT)用于剖析微分方程的ORR手续。。如图5所示,计算了GNR中五种碳原子的ORR手续。,在pH制约见的,缩进排版的氧复原积极的最高的。,它的击毁把持靠近是O2 OOH。,相符合的自由能使多样化值为GOOH。,纯石墨烯0.1M KOH的小报使付出努力非凡的接近于。。作为结平,计算计算的GNR打中碳原子。、氧气邻近的碳原子,抱怨型碳原子于是孔洞缺陷边界碳原子中在O2àOOH的反应性步中均具有较大的自由能使多样化,这些较大的自由能使多样化值障碍了OOH*及水的产量,这驳倒了这些碳点作为次要积极的位点的可能性。。

 Fig. 5 Theoretical 计算。 Models (上) and the corresponding free energy diagrams (下) for cycled carbon atoms at electrode potential UNHE = 0 and 0.745 V in 0.5 M H2SO4 (NHE) normal hydrogen electrode, RHE reversible hydrogen electrode, UNHE = URHE – 0.0591 × pH, pH = ). a Carbon atom at zigzag edge, b carbon atom in basal plane, c carbon atom at O-doped zigzag edge, d carbon atom at armchair edge, and e carbon atom near a void

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