蘇州大學Adv. Funct. Mater.：NiCo合金納米顆粒鑲嵌N摻雜碳納米線作為高效穩定的氧催化劑

葉嵐山 6年前 (2017-12-20) 4864瀏覽

【引言】

現如今，隨著傳統化石能源的逐漸枯竭，清潔可再生能源如燃料電池、金屬-空氣電池等，越來越受到人們的廣泛關注。但燃料電池和金屬-空氣電池緩慢的氧還原和氧析出動力學過程嚴重影響了其商業化應用，研究發現，合適的氧催化劑可以極大地加快電池的反應過程。貴金屬如Pt、Au等催化性能十分優異，但價格昂貴、雙功能活性差，難以大規模實際應用。因此，成本低廉、具有雙功能活性的非貴金屬催化劑成為了目前的研究熱點。非貴金屬催化劑中，合金催化劑電化學性能優異，尤其是NiCo合金，能提供豐富的化合價態的變化，有利于電池的氧還原和氧析出過程。此外，將合金催化劑與異原子摻雜的碳材料相復合，一方面，提高了材料的導電性，另一方面，進一步增強了電池的氧電極催化性能。

【工作介紹】

近日，蘇州大學楊瑞枝教授、田景華副教授團隊在Adv. Funct. Mater.上發表最新研究成果“NiCo Alloy Nanoparticles Decorated on N-Doped Carbon Nanofibers as Highly Active and Durable Oxygen Electrocatalyst”（DOI: 10.1002/adfm.201705094）。在該文中，研究者通過靜電紡絲技術和后煅燒技術相結合，制備出鑲嵌有NiCo合金納米顆粒的N摻雜碳納米線，這種復合材料的制備過程簡單而高效。研究發現，負載了NiCo合金納米顆粒后，材料的氧還原（ORR）和氧析出（OER）電催化性能明顯增強。作者研究了三種負載不同含量的NiCo合金納米顆粒的復合材料，發現負載約39%的樣品（NiCo@N-C 2）表現出最佳的ORR和OER電催化性能和穩定性，其性能甚至可以和商業化的Pt/C和RuO2相媲美。該材料的設計理念和合成方法為低成本高效率的氧氣催化劑的制備提供了新的思路和啟發。該研究的作者依次為付月，于海洋，蔣聰，張天珩，湛潤，李曉偉，李劍鋒，田景華和楊瑞枝（通訊作者）。

【圖文導讀】

圖1 幾種不同材料的SEM圖、XRD和Raman圖

  1. N-C: 不加金屬鹽；
  2. NiCo@N-C 1: 0.25 mmol Ni2++ 0.5 mmol Co2+；
  3. NiCo@N-C 2: 0.5 mmol Ni2++ 1 mmol Co2+；
  4. NiCo@N-C 3: 1 mmol Ni2++ 2 mmol Co2+；
  5. 四種樣品的XRD圖；
  6. N-C 和 NiCo@N-C 2的Raman圖。

圖2 NiCo@N-C 2的HRTEM圖和元素mapping

a和b. NiCo@N-C 2的HRTEM圖；
c. NiCo@N-C 2中各元素的mapping。

圖3 幾種不同材料的ORR和OER電化學性能對比

  1. 四種材料和Pt/C的ORR性能對比（1600 rpm，10 mV/s，0.1 M KOH）；
  2. 四種材料和Pt/C的ORR過程的Tafel曲線；
  3. 四種材料和RuO2的OER性能對比（1600 rpm，10 mV/s，0.1 M KOH）；
  4. 四種材料和RuO2的OER過程的Tafel曲線。

?圖4 N-C和NiCo@N-C 2的XPS對比

  1. N-C的C 1s XPS圖；
  2. N-C的N 1s XPS圖；
  3. NiCo@N-C 2的C 1s XPS圖；
  4. NiCo@N-C 2的N 1s XPS圖。

圖5 NiCo@N-C 2中各元素在OER穩定性測試前后的XPS對比

  1. NiCo@N-C 2中，Co 2p的XPS在OER穩定性測試前后對比；
  2. NiCo@N-C 2中，Ni 2p的XPS在OER穩定性測試前后對比；
  3. NiCo@N-C 2中，O 1s的XPS在OER穩定性測試前后對比；
  4. NiCo@N-C 2中，C 1s的XPS在OER穩定性測試前后對比。

【小結】

研究者利用靜電紡絲技術和煅燒方法相結合，兩步法制備出鑲嵌有NiCo合金納米顆粒的N摻雜的碳納米線來作為燃料電池和金屬-空氣電池的高效氧催化劑，并研究了不同的合金納米顆粒負載量對復合材料電化學性能的影響。研究發現，NiCo@N-C 2（含有約39%的合金）表現出最為優異的ORR和OER電催化活性以及電化學穩定性，甚至可以與Pt/C和RuO2相媲美。一系列測試表明，NiCo合金納米顆粒與N摻雜碳納米線之間的協同作用，包括催化劑本身阻抗以及電荷轉移阻抗的降低，C=C的增多，復合材料中石墨氮和吡啶氮比值的升高，以及OER過程中Ni/Co氫氧化物的形成等等，導致了最終NiCo@N-C 2表現出最佳的電催化性能。這項工作，為高效率、低成本、高產量的氧催化劑的制備，開辟了一條簡單、新穎的道路，在燃料電池、金屬-空氣電池上都具有很好的應用前景。

文獻鏈接：NiCo?Alloy Nanoparticles Decorated on N-Doped Carbon Nanofibers as Highly Active and Durable Oxygen Electrocatalyst(Adv. Funct. Mater., 2018, doi: 10.1002/adfm.201705094).

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