ACS Catalysis：基于五氧化二磷多功能模板法合成二維磷摻雜碳納米片及其在鋅空電池中的應用研究

【引言】

碳材料不僅具有化學穩定高、導電性好等優點，由于多孔結構的引入，還具有比表面積高、孔道結構豐富、孔徑可調等特點，在催化、吸附和電化學儲能等方面都得到了廣泛的應用。通過將氮、磷、硫等雜元素引入多孔碳材料晶格中，不僅可以顯著提高材料的潤濕性、導電性，還能創造大量的缺陷，為電化學反應提供更多的反應活性位點。然而，由于常規合成方法的復雜性造成了雜原子摻雜多孔碳材料合成的工序繁瑣、復雜，限制了其工業化生產；同時，由于缺乏有效的手段來調控其孔隙結構，進一步限制了其應用范圍。

【成果簡介】

最近，來自加拿大滑鐵盧大學的陳忠偉教授和華中科技大學的王得麗教授等人在ACS Catalysis上發布了一篇關于五氧化二磷多功能模板法合成二維磷摻雜碳納米片的文章，題為“Two-Dimensional Phosphorus-Doped Carbon Nanosheets with Tunable Porosity for Oxygen Reactions in Zinc-Air Batteries”。

作者通過五氧化二磷在不同反應過程中的多功能作用，以葡萄糖、蔗糖等生物質材料為前驅體，成功地制備了一種具有多孔結構的磷摻雜碳納米片材料（2D-PPCN）。由于五氧化二磷的存在及其衍生的磷酸的脫水縮合作用，固相水熱過程中就會產生基于片狀結構的聚偏磷酸模板。同時，通過在固相水熱階段調控五氧化二磷與葡萄糖的比例，能夠調控終產物的孔隙結構。當五氧化二磷和葡萄糖的比例為3：1時，所得產物中介孔較多，且材料的比表面積高達1555.8 m² g^-1，孔體積為1.383 cm³ g^-1。

隨后，作者研究了采用不同五氧化二磷與葡萄糖的比例制備的不同結構的磷摻雜碳納米片材料作為ORR/OER雙功能催化劑的電催化性能。研究結果發現，較高的比表面積和發達的孔隙結構，可以在材料和電解液界面提供更高的反應接觸面積，以提創造更多的電荷存儲的活性位點，有利于縮短電子轉移的途徑。通過測試該材料在0.1 M KOH電解液中的氧還原/析出催化性能，發現其半波電位可以達到0.85 V (vs. RHE)；同時，在10 mA cm^?2的電流密度下，其過電位僅為365 mV (vs. RHE)。將該材料用作鋅空電池陰極催化劑時，依然表現出較高的催化活性并擁有良好的循環穩定性，在10 mA cm^-2的大電流密度下進行1000圈(每圈充放電時間為10 min)循環穩定性測試，其充放電平臺十分穩定，這表明2D-PPCN材料作為鋅空電池電極材料的良好應用前景。

【圖文導讀】

圖1 2D-PPCN材料的合成示意圖

圖2 樣品的結構表征圖

(a, b) 2D-IP (中間產物)的TEM圖；

(c, d) 2D-PPCN的TEM圖；

(e, f, g) 2D-PPCN的STEM圖和相應的EELS mapping圖；

(h) 2D-PPCN的AFM圖。

圖3 采用不同五氧化二磷/葡萄糖比例制備的磷摻雜碳納米片材料STEM圖對比

從左到右依次為2D-IP-2/1 (a)、2D-PPCN-2/1 (b)、2D-PPCN-2/2 (c)、2D-PPCN-2/4 (d)和2D-PPCN-2/6 (e).

圖4 材料的ORR/OER性能對比

(a) 1600 rpm轉數下的材料ORR活性對比；

(b) 2D-PPCN-2/6材料在400-2500rpm轉數下的ORR極化曲線；

(c) 1600 rpm轉數下的材料OER活性對比；

(d) 所制備的催化劑的ORR/OER電勢差對比(ORR: E_{j=2 mA cm}^-2; OER: E_{j=10 mA cm}^-2)。

圖5 2D-PPCN材料的鋅空性能

(a) 鋅空電池裝置示意圖；

(b) 2D-PPCN和Pt/C+Ir/C材料的充放電極化曲線對比；

(c) 2D-PPCN材料的鋅空電池充放電曲線(電流密度10 mA cm^-2，每圈充放電時間為10min)。

【小結】

該論文系統介紹了以五氧化二磷作為多功能模板的二維磷摻雜多孔碳納米片材料的新方法。作為吸附劑，這種納米結構的磷摻雜多孔碳材料被證實具有較高的ORR/OER活性，同時，鋅空電池測試也證明了該電極材料的良好應用前景。

文獻鏈接：Two-Dimensional Phosphorus-Doped Carbon Nanosheets with Tunable Porosity for Oxygen Reactions in Zinc-Air Batteries(ACS Catal., 2018, 8, pp 2464-2472)

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