富含Co—N中心的氮掺杂碳负载的钴纳米颗粒及催化甲酸制氢性能

doi:10.7503/cjcu20260094

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (9): 20260094.doi: 10.7503/cjcu20260094

富含Co—N中心的氮掺杂碳负载的钴纳米颗粒及催化甲酸制氢性能

李琳琳¹, 王纯正¹, 赵旭瑜¹, 孟祥龙¹, 李小云², 郭海玲¹()

^1.中国石油大学(华东)化学化工学院, 重质油全国重点实验室, 青岛 266555
^2.武汉理工大学，硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070

收稿日期:2025-03-05 出版日期:2026-09-10 发布日期:2026-05-14
通讯作者: 郭海玲 E-mail:guohl@upc.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2022YFE0116000)

Co-N-Rich Nitrogen-doped Carbon-supported Cobalt Nanoparticles for Hydrogen Production from Formic Acid

LI Linlin¹, WANG Chunzheng¹, ZHAO Xuyu¹, MENG Xianglong¹, LI Xiaoyun², GUO Hailing¹()

^1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，College of Chemistry and Chemical Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266555，China
^2.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China

Received:2025-03-05 Online:2026-09-10 Published:2026-05-14
Contact: GUO Hailing E-mail:guohl@upc.edu.cn
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China(2022YFE0116000)

摘要/Abstract

摘要：

采用蔗糖为碳源、尿素为氮源、硝酸钴为前驱体, 经研磨混合后利用高温焙烧法制备了一种氮掺杂碳负载的钴纳米颗粒非贵金属催化剂, 并将其用于液相甲酸脱氢反应. 在100 ℃下, 性能最佳的Co@NC-Co_0.1-Ur_2.3催化剂的制氢速率可以达到350 mL·g^-1·h^-1, 超过部分贵金属(Pd, Pt)催化剂及非贵金属催化剂（如单原子钴）的性能. 此外，该催化剂循环多次后仍能保持较高活性. 表征结果显示, 丰富的孔结构和比表面积有利于反应过程中HCOO^*等活性物种吸附, 而Co-N位点可能是该反应的催化活性位.

关键词: 甲酸制氢, Co-N中心, 氮掺杂碳, 钴纳米颗粒

Abstract:

Using sucrose as the carbon source， urea as the nitrogen source， and cobalt nitrate as the precursor， a nitrogen-doped carbon-supported cobalt nanoparticle catalyst was prepared via a grinding-mixing and high-temperature calcination method. The as-synthesized catalyst was applied for hydrogen production from formic acid in the liquid phase. At 100 ℃， Co@NC-Co_0.1-Ur_2.3 catalyst achieved a hydrogen generation rate of 350 mL·g^-1·h^-1， exceeding the performance of some noble metal（Pd， Pt） catalysts and non-noble catalysts such as single-atom cobalt. Furthermore， the catalyst remains highly activity even after multiple recycles. Characterization results revealed that the abundant porous structure and high specific surface area might facilitate the adsorption of active species such as HCOO^* during the reaction， while the Co—N moieties are proposed as the catalytic active sites.

Key words: Formic acid dehydrogenation, Co—N center, N-doped carbon, Co nanoparticle

中图分类号:

O643.3

TrendMD:

李琳琳, 王纯正, 赵旭瑜, 孟祥龙, 李小云, 郭海玲. 富含Co—N中心的氮掺杂碳负载的钴纳米颗粒及催化甲酸制氢性能. 高等学校化学学报, 2026, 47(9): 20260094.

LI Linlin, WANG Chunzheng, ZHAO Xuyu, MENG Xianglong, LI Xiaoyun, GUO Hailing. Co-N-Rich Nitrogen-doped Carbon-supported Cobalt Nanoparticles for Hydrogen Production from Formic Acid. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(9): 20260094.

图/表 7

Fig.1 XRD patterns of catalysts prepared with different urea additions, and catalysts prepared without urea or sucrose(A), catalysts calcined at different temperatures(B) and catalysts with varying cobalt nitrate additions(C)

Fig.2 SEM images and EDS elemental analysis of Co@NC⁃Co0.1⁃Ur1.2(A), Co@NC⁃Co0.1⁃Ur2.3(B), Co@NC⁃Co0.1⁃Ur4.7(C)

Fig.3 N2 adsorption⁃desorption isotherms(A) and pore size distributions curves(B) of catalysts with different urea contents

Fig.4 TEM(A) and mapping(B—F) images of Co@NC⁃Co0.1⁃Ur2.3Inset in (A) : pore size distribution of Co@NC⁃Co0.01⁃Ur2.3.

Fig.5 XPS spectra of full elements(A), Co2p (B), N1s (C) and C1s (D) of the catalysts prepared with different urea additions

Fig.6 Comparison of hydrogen production performance from formic acid(A), performance comparison of Co@NC⁃Co0.1⁃Ur2.3 with catalysts in other studies[14—16,22,24—27](B), effect of different calcination temperatures(C) and effect of different cobalt contents on catalyst performance(D)

Fig.7 Catalytic activity at different reaction temperatures(A), Arrhenius plot(B) and cyclic reaction performance test of Co@NC⁃Co0.1⁃Ur2.3(C)

参考文献 29

[1]	Zhou M. J.， Miao Y.， Gu Y.， Xie Y.， Adv. Mater.， 2024， 36（37）， e2311355
[2]	Zhou Y. H.， Wang Y. C.， Zhang X. Q.， Yu P.， Liu H.， Yu A. F.， Xu W.， Chemical Industry and Engineering， 2025， 42（06）， 2—17
	周永浩，王宇辰，张新琪，喻萍，刘欢，于安峰，徐伟. 化学工业与工程， 2025， 42（6）， 2—17
[3]	Li S. R.， Wang L.， Chen Y. Z.， Jiang H. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（1）， 20210575
	李淑蓉，王琳，陈玉贞，江海龙. 高等学校化学学报， 2022， 43（1）， 20210575
[4]	Wang C.， Astruc D.， Chem. Soc. Rev.， 2021， 50（5）， 3437—3484
[5]	Liu M.， Xu Y.， Meng Y.， Wang L.， Wang H.， Huang Y.， Onishi N.， Wang L.， Fan Z.， Himeda Y.， Adv. Energy Mater.， 2022， 12（31）， 2200817
[6]	Hou J. Y.， Hou C. Y.， Hao J. J.， Li J. C.， Wang Y. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（6）， 20230042
	侯俊英，侯传源，郝建军，李建昌，王雅雅. 高等学校化学学报， 2023， 44（6）， 20230042
[7]	Bulushev D. A.， Beloshapkin S.， Plyusnin P. E.， Shubin Y. V.， Bukhtiyarov V. I.， Korenev S. V.， Ross J. R. H.， J. Catal.， 2013， 299， 171—180
[8]	Bing Q.， Liu J. Y.， Appl. Surf. Sci.， 2021， 562， 150186
[9]	Qiu C.， Odarchenko Y.， Lezcano⁃Gonzalez I.， Meng Q.， Slater T.， Xu S.， Beale A. M.， J. Catal.， 2023， 419， 58—67
[10]	Zhao Q. N.， Luo M. S.， Liu Q. L.， Yang Z.， Acta Petrol. Sin.（Pet. Process. Sect.）， 2022， 38（5）， 1052—1063
	赵秋娜，罗明生，刘清龙，杨智. 石油学报（石油加工）， 2022， 38（5）， 1052—1063
[11]	Wu H. C.， Synthesis of Supported Cobalt Based Nanocatalysts and Their Application in Hydrogen Production from Boron Nitrogen Hydride， Jiangxi Normal University， Nanchang， 2024
	吴昊翀. 负载型钴基纳米催化剂的合成及其催化硼氮氢化物制氢，南昌：江西师范大学， 2024
[12]	Zhao Y.， Li X. G.， Lu Z. H.， Acta Chimica Sinica， 2026， 84， 1—10
	赵颖，李修刚，卢章辉. 化学学报， 2026， 84， 1—10
[13]	Gao Y. P.， Liu B.， Kang J. N.， Lv J. Q.， Yu Z. G.， Zhang Z. H.， Gao W. X.， Chem. J. Chinese Universities， 2024， 45（5）， 20240040
	高永平，刘柏，康家宁，吕杰琼，于泽广，张志会，高文秀. 高等学校化学学报， 2024， 45（5）， 20240040
[14]	Tang C.， Surkus A. E.， Chen F.， Pohl M. M.， Agostini G.， Schneider M.， Junge H.， Beller M.， Angew. Chem. Int. Edit.， 2017， 56（52）， 16616—16620
[15]	Li X.， Surkus A. E.， Rabeah J.， Anwar M.， Dastigir S.， Junge H.， Brückner A.， Beller M.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（37）， 15849—15854
[16]	Zhao X.， Wang J.， Zhang D.， Hao Y.， Zhang X.， Feng J.， Su H.， Feng C.， Wang C.， Carbon Energy， 2024， 7（1）， 1—12
[17]	Gao W. X.， Liu B.， Kang J. N.， Yuan S. Q.， Gao Y. P.， Zhao C. C.， Zhang Z. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2025， 46（9）， 20250077
	高文秀，刘柏，康家宁，袁诗淇，高永平，赵翠翠，张志会. 高等学校化学学报， 2025， 46（9）， 20250077
[18]	Xie H. R.， Biomass⁃derived N⁃doped Carbon as Efficient Metal⁃free Electrocatalysts for Electrosynthesis Hydrogen Peroxide， Guangxi University， Nangning， 2025
	谢华瑞. 生物质衍生N掺杂碳非金属电催化氧还原合成过氧化氢的研究，南宁：广西大学， 2025
[19]	Zou J. Y.， Liu Y. P.， Chen H.， Li G. D.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（6）， 1249—1254
	邹佳运，刘一蒲，陈辉，李国栋，高等学校化学学报， 2018， 39（6）， 1249—1254
[20]	Yadav K.， Jaiswal Y.， Suryawanshi B.， Chouhan K.， Kumar H.， J. Indian Chem. Soc.， 2025， 102（12）， 102302
[21]	Tang X.， Zhao J.， Yue S.， Zhou Y.， Yuan B.， Zhou P.， Ao W.， Huang C.， Fuel， 2026， 405， 136781
[22]	Shi Y.， Luo B.， Sang R.， Cui D.， Sun Y.， Liu R.， Zhang Z.， Sun Y.， Junge H.， Beller M.， Li X.， Nat. Commun.， 2024， 15（1）， 8189
[23]	Zhou H.， Zhu S. B.， Wang J. T.， Qiao W. M.， Yu Z. J.， Zhang Y. X.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（11）， 20230354
	周惠，朱帅波，王际童，乔文明，余子舰，张寅旭. 高等学校化学学报， 2023， 44（11）， 20230354
[24]	Gao X.， Yang Y.， Yang S.， Wang T.， Liu Z.， Yu Z.， Chem. Eng. J.， 2024， 500， 156933
[25]	Chernov A. N.， Astrakova T. V.， Sobolev V. I.， Koltunov K. Y.， Mol. Catal.， 2021， 504， 111457
[26]	Wang J.， Li X.， Zheng J.， Cao J.， Hao X.， Wang Z.， Abudula A.， Guan G.， Energ. Convers. Manage.， 2018， 164， 122—131
[27]	Yu Z.， Yang Y.， Yang S.， Zheng J.， Hao X.， Wei G.， Bai H.， Abudula A.， Guan G.， Appl. Catal. B： Environ.， 2022， 313， 121445
[28]	Zhang A.， Xia J.， Yao Q.， Lu Z. H.， Appl. Catal. B： Environ.， 2022， 309， 121278
[29]	Bulut A.， Yurderi M.， Karatas Y.， Say Z.， Kivrak H.， Kaya M.， Gulcan M.， Ozensoy E.， Zahmakiran M.， ACS Catal.， 2015， 5（10）， 6099—6110

富含Co—N中心的氮掺杂碳负载的钴纳米颗粒及催化甲酸制氢性能

Co-N-Rich Nitrogen-doped Carbon-supported Cobalt Nanoparticles for Hydrogen Production from Formic Acid

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 7

参考文献 29

相关文章 5

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	高永平, 刘柏, 康家宁, 吕杰琼, 于泽广, 张志会, 高文秀. 氮掺杂碳材料MG-T多相催化硝基苯加氢制苯胺[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(5): 20240040.
[2]	侯从聪, 王惠颖, 李婷婷, 张志明, 常春蕊, 安立宝. N-CNTs/NiCo-LDH复合材料的制备及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220351.
[3]	刘志刚, 李家宝, 杨剑, 马浩, 王赪胤, 郭鑫, 汪国秀. 新型石墨化氮化碳/锡/氮掺杂碳复合物的制备及储钠性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 633.
[4]	熊俊宇, 王姗姗, 许颜清, 胡长文. 原子级分散Fe-N-C温和条件下选择性氧化催化特性[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(6): 1262.
[5]	华承贺, 马红超, 董晓丽, 张秀芳. α-Bi₂O₃纳米管/氮掺杂碳量子点复合材料的合成及光催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(2): 200.