温州大学nano energy：氮和硫共掺杂多孔碳片用于储能和全ph氧还原反应-威尼斯人888

文章亮点：

· 合理设计了无金属氮和硫共掺杂多孔碳片（nspcs）。

· 所制备的催化剂显示出对氧还原反应具有全ph活性。

· 制备的nspcs具有优异甲醇耐受性和循环性能，并在超级电容器中呈现出色电容性能。

质子交换膜燃料电池（pemfc）作为一种新型的清洁能源技术，具有能量效率高、 比功率大、工作温度低、启动速度快且环境友好等优点。采用非贵金属氧还原电催化剂可以有效降低pemfc的成本，但是，目前发展的非贵金属氧还原电极材料在酸性介质中存在催化活性较低、稳定性不足等缺陷，不能满足pemfc的实际应用要求。因此，设计合成具有新颖结构的非贵金属电催化剂，实现酸性环境下的高效氧还原，是目前燃料电池领域的重要研究方向之一。

在提高和改善非贵金属电催化剂在酸性环境中的氧还原性能研究方面，以设计开发新型的电催化电极材料最为活跃。其中具有资源丰富、结构多样、抗co和甲醇能力优异等优点的杂原子掺杂sp碳材料，无疑是最为引人注目的明星材料。杂原子掺杂可以有效提升无金属碳基催化剂在酸性介质中的氧还原性能，然而，令人遗憾的是目前报道的杂原子掺杂的无金属碳基材料的催化活性仍大大低于pt基催化剂。因此，进一步选择性地开发新的合成路线，理性地设计、制备具有新结构、高性能的碳基氧还原电催化材料，实现其在酸性介质中具有高效的电催化活性和优异的稳定性具有重要的现实意义。

温州大学王舜教授联合阿贡国家实验室陆俊教授等开发了一种新的掺杂策略，通过氮和硫掺杂类型和含量的控制，合理地设计了一类具有全ph氧还原活性的n/s共掺杂多孔碳片（nspcs）。电化学实验表明，所制备的nspcs在酸性介质中具有极高的orr起始和半波电位（0.89v vs. rhe的起始电位和半波电位e1/2≈0.75v），使其成为最优异的酸性orr催化剂。与商用pt/c电催化剂相比，仅有0.03v的半波电位位移。微观结构观察发现所合成的nspcs表面存在丰富的缺陷，这与氮和硫的协同掺杂效应相结合，优化了活性位点和电荷转移，从而实现了氧还原反应和超级电容器的优异性能，其在酸性介质中的orr活性优于所有现有的orr催化剂。同时，该碳基nspcs不仅具有优异的抗腐蚀性和抗甲醇性，而且具有很好的耐久性，使得这种无碳金属催化剂成为替代实际pem燃料电池中商业铂催化剂的有利候选者。该文章发表在国际期刊nano energy上（影响因子：13.12）。

【核心内容】

图1.（a）n，s1，s2-cm1000-b的sem图像和放大的hrtem（插图），（b）n，s1，s2-cm1000-b的hrtem，（c）eds图

图2.（a）n，s1，s2-cm1000-b的n2吸附 - 解吸等温线和bjh孔分布（插图），（b, c）n，s1，s2-cm1000的n1s和s2p的x-射线光电子能谱，（d）n，s1-cm1000，n，s2-cm1000，n，s1，s2-cm1000，n，s1，s2-cm1000-b的拉曼光谱，（e）不同样品的-csc-和-c-sox-c-含量。（f）n，s1-cm1000，n，s2-cm1000，n，s1，s2-cm1000，n，s1，s2-cm1000-b的电化学阻谱（eis）。

图3.（a）n，s1，s2-cm1000-b阴极在o2和n2饱和溶液中的cv图，（b）pt/c和不同n和s-共掺杂多孔碳材料的lsv图，（c） n，s1，s2-cm1000-b阴极在不同转速（400-2025 rpm）下的lsv图和相应的kl图（插图），（d）rrde法测定的n，s1，s2-cm1000-b电子转移数与电压的关系，（e）cv法呈现的n，s1，s2-cm1000-b的抗甲醇性能表征图，（f）n，s1，s2-cm1000-b电催化还原氧还原的稳定性。

 图4.（a）在o气氛中n，s1，s2-cm1000-b的循环伏安图。（b）pt / c和不同氮和硫共掺杂多孔碳材料的orr活性的线性扫描伏安图。（c）rrde法测量的n，s1，s2-cm1000-b和（插入）电子转移数。

图5.（a）不同氮和硫共掺杂多孔碳材料在不同电流密度下的比电容。（b）不同氮和硫共掺多孔碳材料在1a/g下的充放电曲线。（c）对称两个电极的循环稳定性。

通过新的掺杂策略成功合成了一系列n，s共掺杂多孔碳材料。所制备的n，s1，s2-cm1000-b材料由多孔碳片组成，表面具有高密度的活性位点和丰富的结构缺陷。掺杂的s和n的协同效应导致优异的电化学性能。它在酸性体系中表现出高起始和半波电位，其优于所有现有的杂原子掺杂的碳基电极材料。值得注意的是，在碱性介质中，n，s1，s2-cm1000-b阴极具有比商业20％ pt / c催化剂具有更正的半波电位。最后，当将所制备的n和s掺杂的碳材料用作超级电容器电极时，实现了具有高倍率性能和长期稳定性的优异电容。总体而言，这种新颖的多功能材料，新的共掺杂策略和可扩展的生产方法为高性能和低成本能源设备的开发提供了新路径。

chao yang, huile jin, cuixia cui, jun li, jichang wang, khalil amine, jun lu, shun wang, nitrogen and sulfur co-doped porous carbon sheets for energy storage and ph-universal oxygen reduction reaction, nano energy, 2018, doi:10.1016/j.nanoen.2018.10.005