Energy Environ. Sci.:傳統高分子輔助方法制備高效碳納米管復合非金屬基OER催化劑

cc 6年前 (2017-09-11) 5112瀏覽

【引言】

OER對于許多可再生能源系統是一個關鍵的過程。然而，OER經常因為陽極上遲滯的反應動力學而在應用領域擱淺。高活性催化劑需要降低陽極氧化反應的過電位。傳統OER電催化劑是基于貴金屬氧化物的，例如IrO2和RuO2。但是他們的不足以及昂貴的成本限制了自身在可再生能源技術領域的應用。因此，研究人員致力于發展低成本高效的可替代性OER催化劑，例如過渡金屬/金屬化合物，鈣鈦礦，層狀氫氧化物以及碳基材料。盡管取得了一些進步，但是金屬基OER催化劑通常是低電導率以及需要復雜的制備過程。進一步，為了能夠持續產氧同時降低對環境的影響，降低金屬的使用以及探索少量或者沒有金屬的新催化劑體系，基于這一觀點，非金屬基碳催化劑，例如碳納米管（CNTs）以及石墨烯因其低成本，高電導率，高活性，高穩定性，制備簡單以及環境友好等優勢在電解水氧化領域很有潛力。

【成果簡介】

近日，美國凱斯西儲大學戴黎明教授和中國中山大學章自壽副教授、余丁山教授（共同通訊作者）等人在Energy & Environmental Science上發文，題為：“A general polymer-assisted strategy enables unexpected efficient metal-free oxygen-evolution catalysis on pure carbon nanotubes”。研究人員采用了一種高效，綠色并且簡單的方法來制備材料。在采用帶有極性含氧基團的電化學惰性的高分子通過非共價相互作用包裹純CNTs后，得到一系列先進非金屬基化合物膜催化劑，這些催化劑產率難以想象，特別是OER的高活性，能夠達到商業貴金屬RuO2催化劑同級水平。

【圖文導讀】

圖1.制備流程圖，結構圖像，元素分析圖

(a)基于高分子@CNT復合膜的柔性OER電催化劑制備流程圖；

(b)無支撐PEMAc@CNTs90膜照片；

(c, d)純CNTs和PEMAc@CNTs90的HRTEM圖;插圖為樣品水接觸角；

(e)原始的和凈化的CNTs的高分辨XPS C1s圖譜；

(f)凈化的CNTs, PEMAc@CNTs80, PEMAc@CNTs90, 以及PEMAc@CNTs95拉曼圖譜。

圖2.性能表征

(a)PEMAc@CNTs90, PEMAc@CNTs80, PEMAc@CNTs95, 原始的CNTs,凈化的CNTs, 以及RuO2在1 M KOH溶液中的OER的LSV標準曲線；

(b)相應的塔菲爾曲線；

(c)在1M KOH溶液中，多種非金屬基電催化劑OER過電位比較；

(d)陽極電容電流與掃速的關系曲線；

(e)采用RRDE測試從PEMAc@CNTs90產生的O2；

(f)在電解過程中氧氣產生量與電子數量的比較。

圖3.性能測試

(a)OER of PAA@CNTs90, PVA@CNTs90, PVAc@CNTs90 和PEG@CNTs90 在1M KOH溶液中OER的LSV曲線；

(b)塔菲爾極化曲線。

圖4.反應機理

(a)在堿性介質中PEMAc–CNT界面反應機理；

(b)在U = 0 V和U = 1.23 V下PEMAc@CNTs和純的CNTs的標準自由能級圖；

(c)帶有中間體吸附物純OH*或OOH*的CNTs和PEMAc@CNTs的最優幾何圖形；

(d)純CNTs的OER的元素反應的標準自由能級圖；

(e)在碳片上帶有拓撲缺陷的PEMAc@CNTs作為活化中心的標準自由能級圖。

【小結】

不同先前碳基催化劑，高分子包附CNT復合物催化劑在非金屬基CNTs領域首次成功促進OER性能同時沒有任何毀壞或者電荷傳輸到內部的納米管結構。引人注目的是最佳的PEMAc@CNT催化劑在堿性介質中展現了低的298 mV的過電位，塔菲爾斜率為52 mV dec-1。結合理論計算與實驗研究發現OER性能極好的原因是碳納米管中固有的拓撲缺陷以及高分子鏈上的含氧官能團的共同作用。

文獻鏈接：A general polymer-assisted strategy enables unexpected efficient metal-free oxygen-evolution catalysis on pure carbon nanotubes.( Energy & Environmental Science, 2017, DOI: 10.1039/c7ee01702b)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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