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杂原子掺杂策略构筑负载Ni的碳基电催化剂及其氧还原合成H2O2性能研究.pdfVIP

杂原子掺杂策略构筑负载Ni的碳基电催化剂及其氧还原合成H2O2性能研究.pdf

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摘要

通过电催化二电子氧还原反应(Two-electronoxygenreductionreaction,2e−ORR)

合成过氧化氢(HO)是有望取代传统能源密集型蒽醌工艺的技术之一,但是2e−

22

ORR生成HO路径总是与4e生成HO途径竞争,因此开发制备高选择性和活性的催

222

化剂是电催化ORR合成H2O2的关键。基于密度泛函理论(Densityfunctionaltheory,

DFT)得到的火山图显示,在电催化2e−ORR中碳负载镍基催化剂(Ni@NC)靠近火

山图顶点,表明Ni@NC在2e−ORR中具有巨大潜力,然而Ni@NC仍存在Ni位点与关

键中间体*OOH吸附强度不佳的问题。ORR催化剂选择性取决于关键中间体*OOH在活

性位点上的吸附强度,吸附强度主要受制于催化剂的电子结构(金属d能带中心)。由

于杂原子与金属Ni在原子大小、电负性等方面具有显著差异,因此其掺杂配位可以调

节Ni位点电子自旋态和电荷分布,优化*OOH的吸附能力,改善活性中心的催化性能。

除催化剂本征活性外,催化剂形貌结构对表观活性同样具有重要影响。针对以上关键

问题,本论文聚焦非金属杂原子掺杂调控Ni位点电子结构策略及微观形貌构筑策略,

构建O/S/P掺杂Ni的中空结构碳催化剂,深入探究催化剂活性中心电子结构及形貌结

构与催化性能之间的构效关系。主要研究内容如下:

(1)采用强电负性O原子掺杂调控催化活性中心Ni原子电子结构的策略,借助

碱性溶液中OH−与Ni2+相互作用制备富O掺杂前驱体,随后通过控制热解构筑负载NiO

纳米颗粒且具有多级孔结构的中空蜂窝状碳基催化剂(NiO/Ni@NCHS-700)。与Ni配

位的O原子可以调节Ni原子的电子结构,改善Ni原子与中间体*OOH的吸附能力,提

升催化剂的2e−ORR选择性。此外,借助聚苯乙烯(Polystyrene,PS)微球自牺牲模板

策略,构造高比表面积、微孔-介孔-大孔分布的中空蜂窝状结构,以加速活性物种在电

解质中的转移,提高活性位点暴露程度,改善电催化活性。得益于PS微球模板和O原

子掺杂策略的协同作用,在0.1MKOH电解液中NiO/Ni@NCHS-700具有0.76V的起

始电位、~89.1%的HO选择性(0.1~0.6V)、2.22的电子转移数、1.47molg‒1

22cat

h‒1@0.2V的HO产率和45h的稳定性,明显优于负载Ni的NiO/Ni@NCHS-900(HO%

2222

=~78.4%,n=2.43)和实心结构NiO/Ni@NCSS-700(E=0.65eV,HO%=~81.91%,

on22

n=2.36)。

(2)基于上述工作中O原子掺杂调控Ni原子电子结构的机制与规律,进一步选

用具有相似电子结构的S原子掺杂调控Ni原子与中间体*OOH的吸附能力,构筑S掺

杂Ni的中空球壳催化剂(NiS@NCHS)。S(2.58)具有强于Ni(1.91)的电负性,在

与Ni配位时可诱导调控邻近Ni原子电子结构。此外S原子嵌入碳矩阵形成p-π共轭,

同时S原子较大的原子半径、较强的极性可以增强邻近碳原子的自旋密度、促进电荷

重新排布,协同优化活性中心Ni吸附*OOH中间体能垒,改善2e−ORR的选择性。此

外,NiS@NCHS具有高比表面积和多级孔结构,有利

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