碳基电催化材料研究取得重要进展

近期,我校碳基电催化材料研究取得重要进展,该工作以“Unlocking the potential of graphene for water oxidation from orbital hybridization strategy”为题发表在Energy & Environmental Science 2018, DOI: 10.1039/C7EE02972A。现代工程与应用科学学院姚颖方副教授、徐哲博士生和化学化工学院程峰博士后为论文共同一作,现代工程与应用科学学院闫世成副教授和化学化工学院陈兆旭教授为论文通讯作者

电催化产氧反应由于其缓慢的动力学和大的过电势而成为水分解反应的瓶颈。为了克服上述问题,开发高效、廉价和稳定的OER催化剂材料尤为重要。催化剂形貌、结构及其组成的合理设计是获得高催化活性的关键。在众多纳米结构中,2D纳米片由于其独特的物理和化学性质而备受关注。特别是,原子层厚度的超薄纳米片材料几乎可以暴露出所有的原子,进而形成更有效的催化活性位点,利于快速的界面电荷转移,从而降低催化反应势垒。与高结晶性材料相比,低结晶度和无定形材料通常具有长程无序的结构和丰富的内在缺陷,这不仅使其在组成和结构上展现多样性,而且也使其具有丰富的活性位点和好的电荷传输能力。

能源转换、存储和利用需要开发廉价、高效的新能源材料。析氧反应 是包含电化学分解水制氢(2 H2O → 2 H2+ O2)、二氧化碳转换利用(x CO2+ y/2 H2O → CxHyOz+ /4 O2)以及金属-空气电池(MxO → xM + 1/2 O2)在内的多种能源转换过程的速率决速步骤,改善OER反应动力学对提升能量转换效率至关重要。石墨烯作为理想的电极材料,已获得广泛重视与利用,但在OER反应中,仍受限于低催化活性与低稳定性。在石墨烯催化OER反应过程中,反应中间物种*OH, *O, *OOH与C原子形成C-O成键与C-O反键。在阳极正偏压下,石墨烯费米能级不断降低,降至σ能级位置满足电子由氧物种向C传输的热力学条件,使得水分解反应发生。相较于理论水氧化平衡电极电位, 绝大多数电催化材料需超过350 mV过电势才能实现10 mA cm-2水氧化性能,这是由于OER各中间反应步存在较大活化能垒,即动力学因素限制。如何有效降低石墨烯Ef并减小OER各中间活性物种转变活化能对改善水氧化性能至关重要。

优信彩票购彩大厅,近日,中山大学匡代彬教授、陈洪燕副教授等将原子尺度薄的低结晶度Fe-Mn-O杂化纳米片生长于碳布上(Fe-Mn-O NS/CC),其可作为高效的析氧反应催化剂,并在Adv. Funct. Mater.上发表了题为“Atomically Thin Defect-Rich Fe-Mn-O Hybrid Nanosheets as High Efficient Electrocatalyst for Water Oxidation”的研究论文。材料合成过程包括简单的回流反应和低温煅烧处理过程。通过对反应过程中投料比和煅烧温度的控制能够有效地调控杂化纳米片中Fe的引入量、薄膜的厚度及缺陷结构。研究表明,Fe-Mn-O复合纳米片的横向尺寸大小约为100-600 nm,厚度约为1.4 nm,其用于OER反应的起始电位低至1.46 V,达到10 mA·cm-2的电流密度仅需273 mV过电位,具有小的Tafel斜率 (63.9 mV·dec-1)和良好的催化稳定性,性能优于单独的MnO2、FeOOH以及大多数锰基电催化剂材料。进一步的电化学表征和催化机理分析表明,优异的OER性能主要可归因于三个方面:超薄纳米片结构能够暴露大量反应活性位点,同时能与电解质形成有效接触;其次,纳米片在碳布基底上的原位生长确保了紧密的接触和好的电荷传输性质;最后,大量的Fe3+被引入到MnO2的晶格内部形成原子级的紧密接触,因而Fe和Mn之间的强烈相互作用以及富缺陷的结构可能有效调控催化剂的电子结构并优化中间产物的吸附和反应活化能,从而明显提升了复合催化剂的OER催化能力,改善了其本征催化活性。

优信彩票购彩大厅 1

图1 Fe-Mn-O NSs/CC的制备过程

图1. Mn+@G电催化反应机制和电子传输过程

优信彩票购彩大厅 2

优信彩票购彩大厅 3

图2. 不同石墨烯包覆层数的Mn+@G电催化材料TEM形貌图

本文由优信彩票购彩大厅发布于产品评测,转载请注明出处:碳基电催化材料研究取得重要进展

您可能还会对下面的文章感兴趣: