Chem. Eng. J.：钴纳米颗粒与氮掺杂碳纳米管，实现高效氧还原和甲醇氧化！

燃料电池具有将化学能转化为电能的能力，是最重要的替代能源转换装置之一。其中，催化剂的效率在任何燃料电池，包括直接甲醇燃料电池(DMFCs)的整体性能中起着重要的作用。催化剂的设计、合成和探索是促进高效、经济的DMFC实现的关键因素。

因此，研究人员的努力主要集中在合成一种成本效益高，耐用的电催化剂。具体而言，主要目标可概括为(1)促进氧还原反应(ORR)的非贵金属阴极催化剂和(2)一种高效的Pt基催化剂，具有改进的甲醇电氧化(MEO)动力学、一定的稳定性和缓解碳物质中毒的能力。因此，需要一种双功能催化剂同时具有优异的ORR和MOR性能。

基于此，济州国立大学Sang-Jae Kim等人证明了高活性的非贵金属钴纳米粒子(NP)-氮掺杂碳纳米管(Co@NC)是高效的ORR和MOR催化剂。

本文首先通过循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)和电化学阻抗谱(EIS)研究了合成的催化剂的ORR电催化活性。测试过程中发现，催化剂在 ~ 0.85 V出现了一个明显的还原峰，而在N₂饱和电解质中这一还原峰则显著较低。

之后，将热解温度从850 ℃增加到950 ℃时，催化剂的ORR峰电位向较低电位偏移。然而，Co@NC-900和Co@NC-950催化剂的峰值电流密度保持相似。除了以上结果，Co@NC-850催化剂的起始电位最高，为0.913 V，与Pt/C催化剂的起始电位(0.985 V)相当。

此外，测得的Co@NC-850的电流密度高于Co@NC-900和Co@NC-950，同样与基准Pt/C催化剂相当。更加重要的是，Co@NC-850的半波电位差(ΔE_1/2=7 mV)与Pt/C接近，这些结果都说明了Co@NC-850具有较好的ORR催化活性。

对于合成的催化剂的MOR活性，在制备的催化剂中，Pt-Co@NC-850催化剂的MEO峰电流密度最高，而且催化剂的MOR的起始电位依次为Pt-Co@NC-850(0.43 V vs RHE)<Pt-Co@NC-900≈Pt-Co@NC-950(0.52 V vs RHE) <Pt/C(0.53 V vs RHE)。

Pt-Co@NC-850的最低起始电位表明其与Pt-Co@NC-900和Pt-Co@NC-950相比，其具有改进的电氧化性能。除了以上结果，非常值得一提的是，由于Co@NC的协同作用，Pt NP修饰的Co@NC(Pt-Co@NC)对MOR的质量活性达到5.39 A mg^-1，比商业Pt/C催化剂的质量活性提高了3.6倍。

综上所述，本文报道了一种简单的固相合成法，该方法可以用于制备DMFC的阴极催化剂Co@NC。在电流密度和半波电位方面，合成的Co@NC催化剂具有与商业Pt/C催化剂相当的ORR性能。与商业Pt/C相比，Co@NC也作为一种合适的助催化剂提高了Pt NP的MOR活性。

本文的研究结果表明，Co-N_x键的形成和吡啶N掺杂碳的存在为O₂吸附和还原提供了活性位点，而Co@NC催化剂的1-D结构改善了ORR过程中的电荷转移动力学。此外，较高的合成温度导致合成催化剂中N掺杂的减少，最终降低了催化剂的ORR性能。

除上述结果外，与Pt/C相比，Pt-Co@NC表现出更优异的MOR活性，这表明Co@NC对提高Pt纳米结构的MOR活性具有协同作用，而这是因为Co@NC有利于OH_ad物质的吸附，以增强氧化/去除在甲醇电氧化过程中形成的碳物质，进而改善了催化剂的MOR动力学。总之，目前的工作证明了Co@NC具有一定的双功能特性，为未来碱性DMFC电催化剂的开发奠定了基础。

Cobalt Nanoparticle-integrated Nitrogen-doped carbon nanotube as an EfficientBifunctional electrocatalyst for direct methanol fuel cells, Chemical Engineering Journal, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.145028.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145028.

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Chem. Eng. J.：钴纳米颗粒与氮掺杂碳纳米管，实现高效氧还原和甲醇氧化！

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