ПОЛУЧЕНИЕ ПОРИСТЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА
Аннотация
Хотя катализаторы на основе благородных металлов достигли превосходных показателей в реакциях восстановления кислорода на электродах (катодах) топливных элементов, дефицит, высокая стоимость и низкая долговечность этих металлических катализаторов затрудняют реализацию крупномасштабных применений. Цинк-кислородно-воздушная батарея – это экологически чистая батарея со многими преимуществами, такими как малый размер, малая масса, большой заряд, безопасность и надежность, а также она может поддерживать нормальную работу в широком диапазоне температур без коррозии. В данной статье основное внимание уделяется изучению легированных азотом углеродных материалов на основе железа. С помощью пиролиза и стратегий «хозяин-гость» были разработаны и проконтролированы морфология, структура и состав материалов для приготовления катализаторов OCB@g-C3N4 и катализаторов OCB-Hb@g-C3N4 с превосходной активностью в реакции восстановления кислорода (ORR), но и высокой стабильностью. Высокотемпературные карбонизированные материалы образуют покрытую углеродом структуру, которая закрепляет частицы железа в углеродном слое. Частицы железа присутствуют в форме носителей гемоглобина, синергически взаимодействуют с активными центрами для инициирования эффективных реакций восстановления кислорода. Поэтому оптимизация материала путем изменения температуры прокаливания может увеличить количество и экспозицию активного центра.
Для цитирования:
Сунь Линтао, Цзинь Жун, Лиан Тан, Джунжи Жои, Черкасова T.Г., Чаоджонг Гао Получение пористых углеродных материалов и их электрокаталитические свойства для восстановления кислорода. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 11. С. 87-95. DOI: 10.6060/ivkkt.20256811.7165.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Литература
Liu J.N, Zhao C.X., Wang J. A brief history of zincair batteries: 140 years of epic adventures. Energy Environ. Sci. 2022. V. 15. N 11. P. 4542-4553. DOI: 10.1039/D2EE02440C.
Wang Q., Kaushik S., Xiao X. Sustainable zincair battery chemistry: advances, challenges and prospects. Chem. Soc. Rev. 2023. V. 52. N 17. P. 6139-6190. DOI: 10.1039/D2CS00684G.
Saikawa K., Nakamura M., Hoshi N. Structural effects on the enhancement of ORR activity on Pt single-crystal electrodes modified with alkylamines. Electrochem. Commun. 2017. V. 87. P. 5-8. DOI:10.1016/j. elecom2017.12.016.
Khaskov M.A. Thermoporometry and oxyreactive thermal analysis for study of carbon matrices. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 24-31 (in Russian).
Sakhibgareev S.R., Tsadkin M.A., Badikova A.D., Gumerova E.F. Catalysts for destruction of hydrocarbon raw materials based on barium chloride. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 9. P. 64-73 (in Russian).
Wagner F., Gasteiger H., Makharia R. Catalyst development needs and pathways for automotive pem fuel cells. ECS Transact. 2006. V. 3. N 1. P. 19-29. DOI: 10.1149/1.2356119.
Zhang L., Roling L.T., Wang X. Platinumbased nanocages with subnanometer-thick walls and well-defined, controllable facets. Science. 2015. V. 349. (6246). P. 412-416. DOI: 10.1126/science. aab0801.
Liu J. Catalysis by Supported Single Metal Atoms. ACS Ca-talysis. 2016. V. 7. N 1. P. 34-59. DOI: 10.1021/acscatal.6b01534.
Zhu C., Fu S., Shi Q. Single - atom electrocatalysts. Angew. Chem. Int. Ed. 2017. V. 56. N 45. P. 13944-13960. DOI: 10.1002/anie.201703864.
Zhong X., Yu H.Y., Wang X.D. Pt@Au nanorods uniformly decorated on pyridyne cycloaddition graphene as a highly effective electrocatalyst for oxygen reduction. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. V. 6. N 16. P. 13448-13454. DOI: 10.1021/am5020452.
Wang G., Lei L., Jiang J. An ordered structured cathode based on vertically aligned Pt nanotubes for ultra-low Pt loading passive direct methanol fuel cells. Electrochim. Acta. 2017. V. 252. P. 541-548. DOI: 10.1016/j.electacta.2017.08.1.
Aoki N., Inoue H., Shirai A. Electrochemical and Chemical Treatment Methods for Enhancement of Oxygen Reduction Reaction Activity of Pt Shell-Pd Core Structured Catalyst. Electrochim. Acta. 2017. V. 17. P. 31-37. DOI: 10.1016/j.electacta.2017.05.054.
Gan L., Rudi S., Cui C. Size-Controlled Synthesis of Sub‐10 nm PtNi3 Alloy Nanoparticles and their Unusual Volcano-Shaped Size Effect on ORR Electrocatalysis. Small. 2016. V. 12. P. 3189-3196. DOI: 10.1002/smll.201600027.
Xiao M, Gao L., Wang Y. Engineering energy level of metal center: Ru singleatom site for efficient and durable oxygen reduction catalysis. J. of the Am. Chem. Soc. 2019. V. 141. N 50. P. 19800-19806. DOI: 10.1021/jacs.9b09234.
Xiao M., Zhu J., Li G. A singleatom iridium heterogeneous catalyst in oxygen reduction reaction. Angew. Chem. Int. Ed. 2019. V. 58 N 28. P. 9640-9645. DOI: 10.1002/anie.201905241.
Sui R., Zhang X., Wang X. Silver based single atom catalyst with heteroatom coordination environment as high performance oxygen reduction reaction catalyst. Nano Res. 2022. V. 15. N 9. P. 7968-7975. DOI: 10.1007/s12274-022-4499-8.
Sui S., Wang X., Zhou X. A comprehensive review of Pt electrocatalysts for the oxygen reduction reaction: Nanostructure, activity, mechanism and carbon support in PEM fuel cells. J. Mater. Chem. A. 2017. V. 5. DOI: 10.1039/C6TA08580F.
Bhatt M.D., Lee G., Lee J.S. Screening of Oxygen-Reduction-Reaction-Efficient Electrocatalysts Based on Ag–M (M = 3d, 4d, and 5d Transition Metals) Nanoalloys: A Density Functional Theory Study. Energy Fuels. 2017. V. 31. P. 1874-1881. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.6b02991.
Zhao Y., Wang H., Li J. Regulating the Spin‐State of Rare‐Earth Ce Single Atom Catalyst for Boosted Oxygen Reduction in Neutral Medium. Adv. Funct. Mater. 2023. V. 33. N 47. P. 2305268. DOI: 10.1002/adem.202305268.
Jasinski R. A new fuel cell cathode catalyst. Nature. 1964. V. 201. P. 1212-1213. DOI: 10.1038/2011212a0.
Xu H., Wang D., Yang P.X. A theoretical study of atomically dispersed MN4/C (M = Fe or Mn) as a high-activity catalyst for the oxygen reduction reaction. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020. V. 22. P. 28297-28303. DOI: 10.1039/d0cp04676k.
Duarte M.F.P., Rocha I.M.., Figueiredo J.L. CoMn-LDH@carbon nanotube composites: Bifunctional electrocatalysts for oxygen reactions. Catal. Today. 2018. V. 301. P. 17-24. DOI: 10.1016/j.cattod.2017.03.046.
Samanta A., Raj C.R. Bifunctional nitrogen-doped hybrid catalyst based on onion-like carbon and graphitic carbon encapsulated transition metal alloy nanostructure for rechargeable zincair battery. J. Power Sources. 2020. V. 455. P. 227975. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.227.
Samanta A., Ghatak A., Bhattacharyya S. Transition metal alloy integrated tubular carbon hybrid nanostructure for bifunctional oxygen electrocatalysis. Electrochim. Acta. 2020. V. 348. P. 136274. DOI: 10.1016/j.electacta 2020.136274.
Kundu A., Samanta A., Raj C.R. Hierarchical Hollow MOF-Derived Bamboo-like N-doped Carbon Nanotube-Encapsulated Co0 .25Ni 0.75 Alloy: An Efficient Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Zinc-Air Battery. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021. V. 13. N 26. P. 30486-30496. DOI: 10.1021/acsami.1c01875.
Samanta A., Barman B.K., Mallick S. Three-Dimensional Nitrogen-Doped Graphitic Carbon-Encapsulated MnO-Co Heterostructure: A Bifunctional Energy Storage Material for Zn-Ion and Zn-Air Batteries. ACS Appl. Energy Mater. 2020. V. 3. N 10. P. 10108-10118. DOI: 10.1021/acsam.0c01811.
Jia N., Xu Q., Zhao F. Fe/N Codoped Carbon Nanocages with Single-Atom Feature as Efficient Oxygen Reduction Reaction Electrocatalyst. ACS Appl. Energy Mater. 2018. V. 1. N 9. P. 4982-4990. DOI: 10.1021/acsaem.8b00970.
Chen J., Ni B., Hu J. Defective graphene aerogel-supported Bi-CoP nanoparticles as a high-potential air cathode for rechargeable Zn-air batteries. J. Mater. Chem. A. 2019. V. 7. N 39. P. 22507-22513. DOI: 10.1039/C9TA07669G.
Jin W., Chen J., Liu B. Oxygen Vacancy-Rich In-Doped CoO/CoP Heterostructure as an Effective Air Cathode for Rechargeable Zn-Air Batteries. Small. 2019. V. 15. N 46. e1904210. DOI: 10.1002/smll.201904210.
Chai L, Zhang L., Wang X. Bottomup synthesis of MOF-derived hollow N-doped carbon materials for enhanced ORR performance. Carbon. 2019. V. 146. P. 248-256. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.02.00.
Qiu Y., Ali S., Lan G. Defect-rich activated carbons as active and stable metal-free catalyst for acetylene hydrochlorination. Carbon. 2019. V. 146. P. 406-412. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.01.102.
Wang Y., Jin W., Xuan C. Insitu growth of CoFeS2 on metalorganic frameworks-derived Co-NC polyhedron enables high-performance oxygen electrocatalysis for rechargeable zincair batteries. J. Power Sources. 2021. V. 512. P. 230430. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.230430.
Li X., Zhao Y., Yang Y. A universal strategy for carbon-based ORR-active electrocatalyst: One porogen, two pore-creating mechanisms, three pore types. Nano Energy. 2019. V. 62. P. 628-637. DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.05.
