关键词：氮掺杂碳，冷冻干燥，氧还原

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01论文摘要

　　氮掺杂碳材料作为氧还原反应(ORR)的潜在催化剂具有天然优势。然而，由于缺乏能够实现高效 ORR 性能的实用合成技术，阻碍了稳健碳催化剂的研发进程。在此，我们利用短时间的冷冻干燥技术，从Sterculia lychnophora中设计并合成了具有丰富活性位点的氮掺杂碳纳米片(NeCN-Fd)。这一通用方法促进了NeCN-Fd的比表面积增大、石墨化程度提高以及给电子基团原子比增加。所得NeCN-Fd在碱性条件下，其 ORR 反应的起始电位为0.91 V，半波电位为0.79 V，限扩散电流密度为3.6 mA/cm²，与商用Pt/C相当。同时，NeCN-Fd展现出四电子 ORR 路径，且在计时电流响应中比Pt/C具有更高的稳定性。此外，NeCN-Fd催化剂在提升LieO₂电池放电-充电容量及改善循环稳定性方面的优势也得到了验证。理论计算结果表明，样品上丰富的给电子表面基团能够激活邻位碳原子，这赋予了NeCN-Fd优异的 ORR 活性。我们的研究结果为通过冷冻干燥工艺设计具有多种活性位点的碳基电催化剂提供了指导。

02产品支持

　　Typically, a mixture of raw material Sl and melamine (Mel) with a mass ratio of 1:1 was first placed into a 100 mL beaker, 50 mL of deionized water was added and stirred 2 h at 80 C. Subsequently,freeze-drying was applied to the mixture for 48 h to obtain the solid product called Sl-Mel-Fd (SCIENTZ-12ND, Ningbo Scientz Biotechnology Co., Ltd., Ningbo, China.).

　　通常，先将原料Sl与三聚氰胺(Mel)按质量比1:1混合，置于100 mL烧杯中，加入50 mL去离子水，于80 °C下搅拌2小时。随后，对该混合物进行48小时冷冻干燥，制得固体产物Sl-Mel-Fd(SCIENTZ-12ND，宁波新芝生物科技股份有限公司，中国宁波)。

　　冷冻干燥机SCIENTZ-12N/D

　　在本研究中，新芝SCIENTZ-12N/D冷冻干燥机承担了前驱体SI-Mel-Fd的制备任务。研究团队将SI与三聚氰胺的混合液置于SCIENTZ-12N/D中，进行48小时冷冻干燥。冷冻干燥过程在低温真空条件下进行，水分直接从固态升华，避免了传统加热干燥中因液体表面张力导致的多孔骨架塌陷，完整保留了前驱体的多孔结构。这一关键步骤为后续900℃高温碳化形成二维多孔碳纳米片提供了结构基础。