CeO2复合碳基催化剂的氧还原性能影响因素的探究

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2022.02.005

石油化工高等学校学报 ›› 2022, Vol. 35 ›› Issue (2): 29-36.DOI: 10.3969/j.issn.1006-396X.2022.02.005

CeO₂复合碳基催化剂的氧还原性能影响因素的探究

程喆(), 陈鹏华, 满小, 常迎, 贾晶春(), 贾美林

内蒙古师范大学化学与环境科学学院，内蒙古自治区绿色催化重点实验室，内蒙古自治区水环境安全协同创新中心，内蒙古呼和浩特 010022

收稿日期:2022-03-23 修回日期:2022-04-12 出版日期:2022-04-25 发布日期:2022-06-10
通讯作者: 贾晶春
作者简介:程喆（1996⁃），男，硕士研究生，从事生物质碳基催化剂的制备及其电化学性能研究；E⁃mail：326027997@qq.com。
基金资助:
国家自然基金地区基金项目(22062019);内蒙古自治区自然科技基金面上项目(2019MS2017);水环境安全协同创新中心项目(XTCX003);内蒙古自治区科技计划项目(2020PT0003)

Investigation of Factors Influencing the Oxygen Reduction Performance of CeO₂⁃Modified Carbon⁃Based Catalysts

Zhe Cheng(), Penghua Chen, Xiao Man, Ying Chang, Jingchun Jia(), Meilin Jia

College of Chemistry and Environmental Science，Inner Mongolia Normal University，Key Laboratory of Green Catalysis of Inner Mongolia Autonomous Region，Cooperative Innovation Center of Water Environment Safety of Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot Inner Mongolia 010022，China

Received:2022-03-23 Revised:2022-04-12 Published:2022-04-25 Online:2022-06-10
Contact: Jingchun Jia

摘要/Abstract

摘要：

以六水合氯化铈为前驱体、氯化钠为模板、牛奶为碳源，制备CeO₂修饰的三维氮、磷掺杂的碳基催化剂（CeO₂?NPC）。通过旋转圆盘电极（RDE）以及旋转环盘电极（RRDE），分析催化剂的制备条件对氧还原反应（ORR）过程的影响；结合X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱等表征，探究合成过程对结构的影响。通过改变煅烧温度发现，温度升高的过程中N、P等杂元素会随着小分子溢出，碳载体上的缺陷程度增加,CeO₂的质量分数一直处于上升趋势。

关键词: 氧还原, 氧化铈, 两电子, 四电子

Abstract:

CeO₂?modified three?dimensional nitrogen? and phosphorus?doped carbon?based catalysts (CeO₂?NPC) were prepared with cerium chloride hexahydrate as the precursor,sodium chloride as the template,and milk as the carbon source.The results of rotating disc electrode (RDE) and rotating ring?disc electrode (RRDE) tests were used to analyze the influence of catalyst preparation conditions on the oxygen reduction reaction (ORR) process.The influence of the synthesis process on the structure was investigated by X?ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Raman spectroscopy.Heteroelements such as N and P spilled out with small molecules during calcination temperature increase.In this process,the degree of defects on the carbon carriers was increasing and the content of CeO₂ was invariably in an increasing trend.

Key words: Oxygen reduction, Cerium oxide, Two?electron, Four?electron

中图分类号:

O646

程喆, 陈鹏华, 满小, 常迎, 贾晶春, 贾美林. CeO₂复合碳基催化剂的氧还原性能影响因素的探究[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(2): 29-36.

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图/表 10

图1 CeO2?NPC催化剂的制备流程

Fig.1 Synthesis process of CeO2?NPC catalysts

图2 催化剂 CeO2?NPC?1 100的SEM、TEM和元素Mapping图（a-c） SEM；（d-e） TEM；（f）元素Mapping图

Fig.2 SEM,TEM and corresponding elemental mapping of CeO2?NPC?1 100 catalyst

图3 CeO2?NPC系列催化剂的XRD谱图

Fig.3 XRD pattern of CeO2?NPC series catalysts

图4 CeO2?NPC系列催化剂的拉曼光谱

Fig.4 Raman spectra of CeO2?NPC series catalysts

图5 CeO2?NPC系列催化剂的XPS全谱及C 1s、O 1s、Ce 3d、N 1s、P 2p

Fig.5 XPS spectra of CeO2?NPC series catalysts for survey, C 1s, O 1s, Ce 3d, N 1s and P 2p

表1 各温度下煅烧后催化剂元素质量分数

Table 1 The element content of catalyst calcined at different temperature

温度/℃	w（元素）/%
温度/℃	C	O	Ce	N	P
700	86.51	6.39	1.22	4.50	1.38
900	84.87	7.44	1.01	5.42	1.36
1 100	87.31	7.78	1.05	1.24	2.58
1 300	85.38	6.87	1.51	1.17	1.34

图6 CeO2?NPC系列催化剂的CV曲线红色和黑色曲线分别为氧气饱和、氩气饱和条件下的CV曲线

Fig.6 CV curves of CeO2?NPC series catalysts

图7 CeO2?NPC系列催化剂在不同转速下的LSV曲线

Fig.7 LSV curves of CeO2?NPC series catalysts at different speed

图8 CeO2?NPC系列催化剂在不同电位下的K?L曲线

Fig.8 K?L curves of CeO2?NPC series catalysts at different potentials

图9 CeO2?NPC系列催化剂在不同温度下的H2O2产率以及电子转移数变化（a） H2O2产率（b）电子转移数

Fig.9 H2O2 yield and electron transfer number of CeO2?NPC series catalysts at different temperatures

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CeO₂复合碳基催化剂的氧还原性能影响因素的探究

Investigation of Factors Influencing the Oxygen Reduction Performance of CeO₂⁃Modified Carbon⁃Based Catalysts

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