单原子铈对弱芬顿效应活性位点氧还原稳定性的提升

doi:10.7503/cjcu20220294

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (9): 20220294.doi: 10.7503/cjcu20220294

单原子铈对弱芬顿效应活性位点氧还原稳定性的提升

楚宇逸¹^,², 兰畅¹^,², 罗二桂³, 刘长鹏¹^,², 葛君杰¹^,²(), 邢巍¹^,²()

^1.中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室, 吉林省低碳化学动力重点实验室, 长春 130022
^2.中国科学技术大学应用化学与工程学院, 合肥 230026
^3.山西师范大学化学与材料科学学院, 磁性分子与磁信息材料教育部重点实验室, 太原 030031

收稿日期:2022-05-02 出版日期:2022-09-10 发布日期:2022-05-30
通讯作者: 葛君杰,邢巍 E-mail:gejj@ciac.ac.cn;xingwei@ciac.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(21633008);国家科技重大专项项目(2016YFB0101202);吉林省科技发展计划项目(20200201001JC)

Single-atom Cerium Sites Designed for Durable Oxygen Reduction Reaction Catalyst with Weak Fenton Effect

CHU Yuyi¹^,², LAN Chang¹^,², LUO Ergui³, LIU Changpeng¹^,², GE Junjie¹^,²(), XING Wei¹^,²()

^1.State Key Laboratory of Electroanalytical Chemistry，Jilin Province Key Laboratory of Low Carbon Chemical Power，Changchun Institute of Applied Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022，China
^2.College of Applied Chemistry and Engineering，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
^3.Key Laboratory of Magnetic Molecules and Magnetic Information Materials，Ministry of Education，School of;Chemistry and Material Science，Shanxi Normal University，Taiyuan 030031，China

Received:2022-05-02 Online:2022-09-10 Published:2022-05-30
Contact: GE Junjie,XING Wei E-mail:gejj@ciac.ac.cn;xingwei@ciac.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21633008);the National Science and Technology Major Project, China(2016YFB0101202);the Jilin Province Science and Technology Development Program, China(20200201001JC)

摘要/Abstract

摘要：

合成了同时具备弱芬顿效应活性位点(Ru-N _x )和自由基消除位点(Ce-N _x )的高稳定性电催化剂Ru, Ce-N-C. 电化学性能测试结果表明, 在酸性电解质中, Ru, Ce-N-C催化剂表现出良好的氧还原反应(ORR)活性(半波电位为0.78 V)和稳定性(30000次加速老化测试后, 半波电位仅下降8 mV), 优于Fe-N-C催化剂. 对反应机理的研究发现, Ru, Ce-N-C催化过程中电子转移数为3.98, 平均H₂O₂产率低于5%.

关键词: 氧还原反应, 单原子催化剂, 稳定性, 芬顿反应, 自由基清除剂

Abstract:

Metal-Nitrogen-Carbon（M-N-C） materials has hitherto been the most promising alternative to platinum for catalyzing the oxygen reduction reaction. However， severe degradation issues have been reported under operando testing condition， such as free radical attack generated by the Fenton reaction and the leaching of active sites， which restricted the further advance of M-N-C catalysts. Herein， single-atom Ru，Ce-N-C catalyst with Ru-N _x active sites with weak fenton effect and Ce-N _x sites as free radical scavenger was synthesized. The results indicated that Ru， Ce-N-C catalyst exhibits excellent oxygen reduction reaction（ORR） activity［E_1/2=0.78 V（vs. RHE）］ and outstanding stability（8 mV negative shift after 30000 cycles）， which is superior to Fe-N-C catalyst. The electron transfer number（n） of Ru， Ce-N-C was 3.98， and the average H₂O₂ yield for Ru， Ce-N-C was less than 5%. This work opens the new path for improving the durability of M-N-C catalysts in fuel cells.

Key words: Oxygen reduction reaction, Single-atom catalyst, Stability, Fenton reaction, Free radical scavenging

中图分类号:

O646

TrendMD:

楚宇逸, 兰畅, 罗二桂, 刘长鹏, 葛君杰, 邢巍. 单原子铈对弱芬顿效应活性位点氧还原稳定性的提升. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220294.

CHU Yuyi, LAN Chang, LUO Ergui, LIU Changpeng, GE Junjie, XING Wei. Single-atom Cerium Sites Designed for Durable Oxygen Reduction Reaction Catalyst with Weak Fenton Effect. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220294.

图/表 7

Fig.1 SEM images of ZIF?8(A), Ce@ZIF?8(B) and Ru,Ce@ZIF?8(C), XRD patterns of ZIF?8, Ce@ZIF?8, Ru,Ce@ZIF?8 and CeCl3·7H2O(D)

Fig.2 SEM image(A) and TEM image(B) of Ru,Ce?N?C, XRD patterns of the pyrolyzed N?C, Ru,Ce?N?C, Fe?N?C and Ce?N?C samples(C)

Fig.3 Survey(A) and high?resolution XPS spectra of N1s (B) and O1s (C) for Ru,Ce?N?C, Ru?N?C and Fe?N?C, high?resolution XPS spectra of Ce3d of Ru,Ce?N?C(D)

Fig.4 Ru K?edge XANES spectra(A), Fourier transforms of k2?weighted Ru K?edge EXAFS spectra(B), Ce L?edge XANES spectra(C), Fourier transforms of k3?weighted Ce L?edge EXAFS spectra(D) for Ru, Ce?N?C and standard samples

Fig.5 Comparison of ORR polarization curves of Ru,Ce?N?C catalysts during different pyrolyzed temperatures(A), comparison of ORR polarization curves of Ru, Ce?N?C catalysts with different additions of RuCl3·3H2O(B), CeCl3·7H2O(C), RuCl3·3H2O and CeCl3·7H2O(D) in precursors, comparison of ORR polarization curves of Ru, Ce?N?C, N?C, Ru?N?C, Pt/C and Ce?N?C catalysts(E), the H2O2 yield and electron?transfer number(n) on different catalysts determined by RRDE technique(F)Testing condition: in O2?saturated 0.1 mol/L HClO4 at 10 mV/s. Rotation speed： 1600 r/min.

Fig.6 Accelerated degradation test(ADT) of Ru, Ce?N?C(A), Fe?N?C(B) and Ru?N?C(C) catalyst by cycling the potential(0.6—1.0 V) in O2?saturated 0.1 mol/L HClO4 for 30000 cycles, the H2O2 yield and electron?transfer number(n) during ADT on Ru,Ce?N?C(D), Fe?N?C(E) and Ru?N?C(F) determined by RRDE technique

Fig.7 Hydrogen peroxide reduction reaction(HPRR) activity of Ce?N?C(600 μg/cm2) in N2?saturated 0.1 mol/L HClO4

参考文献 42

1	Shen H.， Thomas T.， Rasaki S. A.， Saad A.， Hu C.， Wang J.， Yang M.， Electrochem. Energy Rev.， 2019， 2（2）， 252—276
2	He Y.， Liu S.， Priest C.， Shi Q.， Wu G.， Chem. Soc. Rev.， 2020， 49（11）， 3484—3524
3	Chung H. T.， Cullen D. A.， Higgins D.， Sneed B. T.， Holby E. F.， More K. L.， Zelenay P.， Science， 2017， 357（6350）， 479—484
4	Wu G.， More K. L.， Johnston C. M.， Zelenay P.， Science， 2011， 332（6028）， 443—447
5	Proietti E.， Jaouen F.， Lefevre M.， Larouche N.， Tian J.， Herranz J.， Dodelet J. P.， Nat. Commun.， 2011， 2， 416
6	Kulkarni A.， Siahrostami S.， Patel A.， Norskov J. K.， Chem. Rev.， 2018， 118（5）， 2302—2312
7	He Y. H.， Hwang S.， Cullen D. A.， Uddin M. A.， Langhorst L.， Li B. Y.， Karakalos S.， Kropf A. J.， Wegener E. C.， Sokolowski J.， Chen M. J.， Myers D.， Su D.， More K. L.， Wang G. F.， Litster S.， Wu G.， Energy Environ Sci.， 2019， 12（1）， 250—260
8	Li J. Z.， Chen M. J.， Cullen D. A.， Hwang S.， Wang M. Y.， Li B. Y.， Liu K. X.， Karakalos S.， Lucero M.， Zhang H. G.， Lei C.， Xu H.， Sterbinsky G. E.， Feng Z. X.， Su D.， More K. L.， Wang G. F.， Wang Z. B.， Wu G.， Nat. Catal.， 2018， 1（12）， 935—945
9	Xiao M.， Zhu J.， Li G.， Li N.， Li S.， Cano Z. P.， Ma L.， Cui P.， Xu P.， Jiang G.， Jin H.， Wang S.， Wu T.， Lu J.， Yu A.， Su D.， Chen Z.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2019， 58（28）， 9640—9645
10	Xiao M.， Zhang H.， Chen Y.， Zhu J.， Gao L.， Jin Z.， Ge J.， Jiang Z.， Chen S.， Liu C.， Xing W.， Nano Energy， 2018， 46， 396—403
11	Zhuang J. H.， Wang D. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（5）， 20220043
	庄嘉豪，王定胜. 高等学校化学学报， 2022， 43（5）， 20220043
12	Wang Y.， Zheng X.， Wang D.， Nano Res.， 2021， 15（3）， 1730—1752
13	Banham D.， Kishimoto T.， Zhou Y.， Sato T.， Bai K.， Ozaki J. I.， Imashiro Y.， Ye S.， Sci. Adv.， 2018， 4（3）， eaar7180
14	Du L.， Prabhakaran V.， Xie X.， Park S.， Wang Y.， Shao Y.， Adv. Mater.， 2020， e1908232
15	Wu G.， Front Energy， 2017， 11（3）， 286—298
16	Choi C. H.， Lim H. K.， Chung M. W.， Chon G.， Ranjbar Sahraie N.， Altin A.， Sougrati M. T.， Stievano L.， Oh H. S.， Park E. S.， Luo F.， Strasser P.， Dražić G.， Mayrhofer K. J. J.， Kim H.， Jaouen F.， Energy Environ. Sci.， 2018， 11（11）， 3176—3182
17	Choi C. H.， Baldizzone C.， Polymeros G.， Pizzutilo E.， Kasian O.， Schuppert A. K.， Ranjbar Sahraie N.， Sougrati M. T.， Mayrhofer K. J. J.， Jaouen F.， ACS Catal.， 2016， 6（5）， 3136—3146
18	Goellner V.， Baldizzone C.， Schuppert A.， Sougrati M. T.， Mayrhofer K.， Jaouen F.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2014， 16（34）， 18454—18462
19	Choi C. H.， Baldizzone C.， Grote J. P.， Schuppert A. K.， Jaouen F.， Mayrhofer K. J.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2015， 54（43）， 12753—12757
20	Kumar K.， Dubau L.， Mermoux M.， Li J.， Zitolo A.， Nelayah J.， Jaouen F.， Maillard F.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2020， 59（8）， 3235—3243
21	Herranz J.， Jaouen F.， Lefevre M.， Kramm U. I.， Proietti E.， Dodelet J. P.， Bogdanoff P.， Fiechter S.， Abs⁃Wurmbach I.， Bertrand P.， Arruda T. M.， Mukerjee S.， J. Phys. Chem. C， 2011， 115（32）， 16087—16097
22	Li J.， Sougrati M. T.， Zitolo A.， Ablett J. M.， Oğuz I. C.， Mineva T.， Matanovic I.， Atanassov P.， Huang Y.， Zenyuk I.， Di Cicco A.， Kumar K.， Dubau L.， Maillard F.， Dražić G.， Jaouen F.， Nat. Catal.， 2020， 4（1）， 10—19
23	Luo E.， Zhang H.， Wang X.， Gao L.， Gong L.， Zhao T.， Jin Z.， Ge J.， Jiang Z.， Liu C.， Xing W.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2019， 58（36）， 12469—12475
24	Xiao M.， Gao L.， Wang Y.， Wang X.， Zhu J.， Jin Z.， Liu C.， Chen H.， Li G.， Ge J.， He Q.， Wu Z.， Chen Z.， Xing W.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141（50）， 19800—19806
25	Rui Z.， Liu J.， Prog. Nat. Sci.， 2020， 30（6）， 732—742
26	Prabhakaran V.， Arges C. G.， Ramani V.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2012， 109（4）， 1029—1034
27	Xie H.， Xie X.， Hu G.， Prabhakaran V.， Saha S.， Gonzalez⁃Lopez L.， Phakatkar A. H.， Hong M.， Wu M.， Shahbazian⁃Yassar R.， Ramani V.， Al⁃Sheikhly M. I.， Jiang D. E.， Shao Y.， Hu L.， Nature Energy， 2022， 7（3）， 281—289
28	Sies H.， Eur. J. Biochem.， 1993， 215（2）， 213—219
29	Wei H.， Su X.， Liu J.， Tian J.， Wang Z.， Sun K.， Rui Z.， Yang W.， Zou Z.， Electrochem. Commun.， 2018， 88， 19—23
30	Baker Andrew M.， Williams S. T. D.， Mukundan R.， Spernjak D.， Advani S. G.， Prasad A. K.， Borup R. L.， J. Mater. Chem. A， 2017， 5（29）， 15073—15079
31	Gubler L.， Dockheer S. M.， Koppenol W. H.， J. Electrochem. Soc.， 2011， 158（7）， B755—B769
32	Baker A. M.， Stewart S. M.， Ramaiyan K. P.， Banham D.， Ye S.， Garzon F.， Mukundan R.， Borup R. L.， J. Electrochem. Soc.， 2021， 168（2）， 024507
33	Luo E.， Wang C.， Li Y.， Wang X.， Gong L.， Zhao T.， Jin Z.， Ge J.， Liu C.， Xing W.， Nano Res.， 2020， 13（9）， 2420—2426
34	Newville M.， J. Synchrotron. Radiat.， 2001， 8（Pt 2）， 322—324
35	Ravel B.， Newville M.， J. Synchrotron. Radiat.， 2005， 12（Pt 4）， 537—541
36	Motamedi M.， Ramezanzadeh M.， Ramezanzadeh B.， Mahdavian M.， Chem. Eng. J.， 2020， 382， 122820
37	Zhu M.， Zhao C.， Liu X.， Wang X.， Zhou F.， Wang J.， Hu Y.， Zhao Y.， Yao T.， Yang L. M.， Wu Y.， ACS Catalysis， 2021， 11（7）， 3923—3929
38	Yao Y.， Huang Z.， Xie P.， Wu L.， Ma L.， Li T.， Pang Z.， Jiao M.， Liang Z.， Gao J.， He Y.， Kline D. J.， Zachariah M. R.， Wang C.， Lu J.， Wu T.， Li T.， Wang C.， Shahbazian⁃Yassar R.， Hu L.， Nature Nanotech.， 2019， 14（9）， 851—857
39	Jiao L.， Li J.， Richard L. L.， Sun Q.， Stracensky T.， Liu E.， Sougrati M. T.， Zhao Z.， Yang F.， Zhong S.， Xu H.， Mukerjee S.， Huang Y.， Cullen D. A.， Park J. H.， Ferrandon M.， Myers D. J.， Jaouen F.， Jia Q.， Nat. Mater.， 2021， 20（10）， 1385—1391
40	Liu Q.， Liu X.， Zheng L.， Shui J.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2018， 57（5）， 1204—1208
41	Liu S.， Wang M.， Yang X.， Shi Q.， Qiao Z.， Lucero M.， Ma Q.， More K. L.， Cullen D. A.， Feng Z.， Wu G.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2020， 59（48）， 21698—21705
42	Zhu M.， Zhao C.， Liu X.， Wang X.， Zhou F.， Wang J.， Hu Y.， Zhao Y.， Yao T.， Yang L. M.， Wu Y.， ACS Catal.， 2021， 3923—3929

[1]	滕镇远, 张启涛, 苏陈良. 聚合物单原子光催化剂的载流子分离和表面反应机制[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220325.
[2]	王茹玥, 魏呵呵, 黄凯, 伍晖. 单原子材料的冷冻合成[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220428.
[3]	秦永吉, 罗俊. 单原子催化剂在CO₂转化中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220300.
[4]	林治, 彭志明, 贺韦清, 沈少华. 单原子与团簇光催化：竞争与协同[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220312.
[5]	程前, 杨博龙, 吴文依, 向中华. S掺杂Fe-N-C高活性氧还原反应催化剂[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220341.
[6]	杨静怡, 李庆贺, 乔波涛. 铱单原子和纳米粒子在N₂O分解反应中的协同催化[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220388.
[7]	林高鑫, 王家成. 单原子掺杂二硫化钼析氢催化的进展和展望[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220321.
[8]	任诗杰, 谯思聪, 刘崇静, 张文华, 宋礼. 铂单原子催化剂同步辐射X射线吸收谱的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220466.
[9]	郑安妮, 金磊, 杨家强, 王赵云, 李威青, 杨防祖, 詹东平, 田中群. 5,5-二甲基乙内酰脲在化学镀铜中的作用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220191.
[10]	赵润瑶, 纪桂鹏, 刘志敏. 吡咯氮配位单原子铜催化剂的电催化二氧化碳还原性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220272.
[11]	庄嘉豪, 王定胜. 单原子催化的关键进展与未来挑战[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220043.
[12]	谷雨, 奚宝娟, 李江潇, 熊胜林. 单原子催化剂在氧还原反应中的分子级调控[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220036.
[13]	吴俊, 何观朝, 费慧龙. 自支撑单原子膜电极在能源电催化中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220051.
[14]	张宏伟, 陈雯, 赵美淇, 马超, 韩云虎. 单原子催化剂在电化学中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220129.
[15]	尹肖菊, 孙逊, 赵程浩, 姜波, 赵晨阳, 张乃庆. 单原子催化剂在锂硫电池中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220076.

单原子铈对弱芬顿效应活性位点氧还原稳定性的提升

Single-atom Cerium Sites Designed for Durable Oxygen Reduction Reaction Catalyst with Weak Fenton Effect

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 7

参考文献 42

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价