成果简介
尽管无金属电催化剂在碱性电解质中表现出与Pt/C相当的良好氧还原反应（ORR）性能，但在酸性和中性介质中的活性并不理想，阻碍了其在质子交换膜燃料电池（PEMFC）等能源装置中的广泛应用，中性金属空气电池和生物燃料电池。
本文，北京化工大学胡传刚教授团队在《Carbon》期刊发表名为“N, P, and S tri-doped holey carbon as an efficient electrocatalyst for oxygen reduction in whole pH range for fuel cell and zinc-air batteries”的论文，研究利用葡萄糖（Glu）、三硫氰酸（TA）和磷酸（PA）的简单一步热解合成N，P，S三掺杂多孔碳（NPS-HCs），以证明燃料电池和锌-空气电池在整个pH范围内的有效ORR。
可用作碱性和中性Zn-空气电池的空气阴极，在实用的PEM燃料电池中获得有效能量的ORR阴极存储和转换。NPS-HC作为一种高性能、pH值通用的ORR催化剂，在推进清洁高效的能量转换和储存装置以及集成系统方面具有巨大的潜力，通过替代/还原能源装置中的铂基电催化剂，促进了C-MFECs的商业发展。
图文导读
图1。（a）NPS-HC制备程序的示意图。
（b，c）NPS-1＆10＆2的SEM图像和（d，e）TEM图像。
（f）NPS-1＆10＆2的STEM图像以及N，P和S的相应EDS图像。
（g）根据BJH NS-1＆10，NPS-1＆10＆2的解吸计算出的氮吸附-解吸等温线（插图曲线）和孔径分布NPS-1＆10＆5。
图2。（a）XRD图，（b）NS-1＆10，NPS-1＆10＆2和NPS-1＆10＆5的拉曼光谱。（c）NPS-1＆10＆2杂原子（N，P，S）的调查光谱和高分辨率光谱。
图3。（a）NPS-1＆10＆2在O 2和N 2饱和的0.1 M KOH溶液中的CV曲线。（b）Lt曲线和（c）Pt / C，N-1＆10，NS-1＆10，NPS-1＆10＆2和NPS-1＆10＆5的Tafel图，转速为1600 rpm。（d）磁盘和环电流密度，和（e）“HO2-”产量和“NPS-1＆10＆2在RRDE试验”。（f）在相对于RHE为0.7 V的给定电势下，NPS-1＆10＆2和Pt / C的计时安培响应。插图显示了NPS-1＆10＆2和Pt / C的甲醇效应。所有测试均在0.1 M KOH电解液中进行。
图4。（a）LSV曲线和（b）RDE上不同样本的Tafel图。
（c）NS-1＆10，NPS-1＆10＆2和NPS-1＆10＆5在1600 rpm和0.5 Vvs.下的电化学阻抗谱。RHE。
（d）NPS-1＆10＆2的H 2 O 2产率和“ n ”以及圆盘和环电流密度。
（e）中性介质中不同样品的起始电势，半波电势和极限电流密度。
（f）在0.5 Vvs.时施加的NPS-1＆10＆2和Pt / C的计时安培（i - t）响应。RHE和1600 rpm。所有测试均在0.1 M PB溶液中进行。
图5。（a）LSV曲线和（b）Pt / C，N-1＆10，NS-1＆10，NPS-1＆10＆2和NPS-1＆10＆5的Tafel图。
（c）NPS-1＆10＆2的H 2 O 2产率和“ n”，插图显示了RRDE测试中的盘和环电流密度。
（d）不同热解温度下RDE的LSV曲线。
（e）NPS-1＆10＆2和Pt / C在0.5时的计时安培（it）响应。
（f）NPS-1＆10＆2和Pt / C的甲醇效应。所有测试均在0.1 M HClO 4电解液中进行。
图6。（a）以Pt/C和NPS-1&10&2为ORR催化剂（负载：0.6mgcm-2）在6mkoh（扫描速率5mvs1）中的一次ZABs的极化和功率密度曲线。
（b） NPS-1&10&2与几种碳基无金属催化剂在碱性溶液中的峰值功率密度（PPD）比较。
（c）使用NPS-1&10&2作为ORR催化剂的ZAB的比容量标准化为6mkoh中消耗的锌的质量。
（d）不同电流密度（mA-cm-2）下NPS-1&10&2初级ZAB在6mkoh中的恒电流放电曲线。
（e）以Pt/C和NPS-1&10&2为ORR催化剂（质量负载为0.6mgcm-2）在4.0mnh4cl+2.0mkcl（扫描速率5mvs1）中的初级ZABs的极化和功率密度曲线。
（f）质子交换膜燃料电池中NPS-1&10&2的极化和功率密度曲线。
小结
通过一步法成功制备N，P，S三掺杂多孔碳纳米材料，具有较大的比表面积（1656.0 m 2 g -1）），大量的孔和边缘以及高杂原子浓度（7.57 at。％）。优化的NPS-HC（NPS-1＆10＆2）在通用pH值的介质中表现出出色的ORR性能（包括正半波电势，高扩散极限电流密度，低过氧化物种类收率，良好的长期稳定性和出色的甲醇耐受性），其性能优于N掺杂，P掺杂，N，S共掺杂以及N，P共掺杂碳，甚至可与市售Pt / C催化剂相媲美。
NPS-HC用作碱性和中性Zn-空气电池的空气阴极，甚至在实际的PEMFC中用作ORR阴极，以实现具有相当好的性能的可再生和绿色能源转换装置。PEMFC中NPS-HC的性能优于以前的报道，而在ZAB中，NPS-HC的能量和功率密度大大超过了其他报告的C-MFEC。因此，这种高效、耐用、pH值通用的无金属碳基催化剂在金属空气电池、质子交换膜燃料电池、生物燃料电池等领域具有广阔的应用前景，有助于推动能源未来发展。
文献：
