Nano Energy : 高效多功能電催化劑 N,B-共摻雜富缺陷石墨碳納米籠

【引言】

氧還原反應(ORR)、析氧反應(OER)以及析氫反應(HER)中緩慢的動力學過程是高效可再生能源存儲和轉換設備(如金屬-空氣電池、燃料電池等)面臨的主要挑戰。貴金屬(如Pt)或過渡金屬氧化物是有效的電催化劑，但仍具有成本高、穩定性較差或電導率較低等不足。納米碳基催化劑具有良好的導電性以及可調節的表面化學性能，近年來獲得了廣大研究人員的關注。納米碳材料的催化活性可以通過雜原子摻雜調節(如硼、氮、磷、硫和氟等)進而調節其電負性、電荷分布以及電子轉移行為。具有不同電負性的原子共摻雜(即引入更多的活性中心)可進一步提高催化性能。

?【成果簡介】

近日，燕山大學趙玉峰教授、蘇州大學李彥光教授、北京大學侯仰龍教授(共同通訊作者)等通過簡單的熱解輔助原位催化石墨化過程制備了一種具有豐富缺陷的N,B-共摻雜石墨碳納米籠(NB-CN)多功能電催化劑，并在Nano Energy上發表了題為“N,B-codoped Defect-rich Graphitic Carbon Nanocages as High Performance Multifunctional Electrocatalysts”的研究論文。對整個體系進行密度泛函理論(DFT)計算以揭示其多功能催化活性的起源，計算結果表明，在ORR中N,B-共摻雜碳最低理論過電勢為0.34 V，OER中為0.39 V，HER中最低理論吉布斯自由能(ΔG_ads)為0.013 eV。之后將NB-CN用于鋅空氣電池中，功率密度最高可達320 mW·cm^-2且長效性能良好，在實際應用中潛力巨大。

?【圖文簡介】

圖1 NB-CN的合成和形貌表征

a) 石墨碳納米籠的形成示意圖；

b) NB-CN的SEM圖像；

c) NB-CN的TEM圖像；

d) NB-CN酸洗前的HR-TEM圖像；

e,f) NB-CN的HR-TEM圖像。

?圖2? NB-CN的元素表征和相應的理論計算

a) NB-CN的XRD圖譜；

b) NB-CN的Raman光譜；

c) NB-CN的EELS光譜；

d) NB-CN的XPS總譜；

e) NB-CN的N 1s XPS譜圖；

f) NB-CN的B 1s XPS譜圖；

g) 計算中N,B-共摻雜石墨烯的氮、硼和氧的相應位置，1-13代表反應位點；

h, i) N,B-共摻雜石墨碳納米籠在堿性介質中ORR和OER自由能曲線。

?圖3 ?NB-CN的電催化測試

a) O₂飽和的1 M KOH溶液中N-C、NB-CN和商業化Pt/C的ORR LSV曲線；

b) O₂飽和的1 M KOH溶液中不同轉速下NB-CN 的LSV曲線；

c) 不同電勢下NB-CN的K-L曲線和相應電壓下的轉移電子數；

d) O₂飽和的1 M KOH溶液中N-C、NB-CN和IrO₂的OER LSV曲線；

e) N₂飽和的5 M H₂SO₄溶液中N-C、NB-CN和商業化Pt/C的HER 的LSV曲線；

f) 0.1 M KOH中N-C、NB-CN、Pt/C和IrO₂ 的LSV曲線。

?圖4 ?NB-CN 作為陰極材料在鋅-空氣電池中的應用

a) 鋅-空氣電池的示意圖；

b) 鋅-空氣電池實物圖；

c) 以NB-CN和Pt/C為催化劑的鋅-空氣電池的極化曲線和功率密度曲線；

d) 10 mA·cm^-2 and 50 mA·cm^-2下以NB-CN和Pt/C為空氣催化劑的鋅-空氣電池的放電曲線。

【小結】

該研究報道了一種利用簡單方法制備具有獨特缺陷結構的N,B-共摻雜石墨碳納米籠，并從理論和實驗兩方面首次證實了N,B-共摻雜在ORR、OER和HER多功能催化活性中重要的價值。同時，NB-CN獨特的半開放納米籠結構以及富缺陷的有序石墨結構通過提供更多活性位點以及良好的電荷傳輸進一步促進催化活性提升。上述多功能催化劑可以作為ORR-OER、OER-HER雙功能催化劑用于金屬-空氣電池和電化學水分解等領域。

文獻鏈接： N,B-codoped Defect-rich Graphitic Carbon Nanocages as High Performance Multifunctional Electrocatalysts (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.004)

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