中科大俞書宏&梁海偉Nano Energy : Ni-N共摻雜碳納米纖維負載部分氧化的Ni納米顆粒作為雙功能電催化劑用于全分解水

abc940504 5年前 (2018-07-11) 7043瀏覽

【引言】

近年來，過渡金屬氧化物、鈣鈦礦氧化物和層狀雙氫氧化物作為堿性電解質中的OER催化劑已進行了廣泛研究，而過渡金屬磷化物、硫化物和碳化物在酸性電解質中具有優越的HER性能。盡管如此，由于pH范圍不匹配，將上述OER和HER催化劑集成于同一電解池中以實現全分解水是具有挑戰性的。因此，研發用于OER和HER的高性能雙功能電催化劑非常必要。
納米結構過渡金屬(化合物)/氮摻雜碳納米材料(M/N/C)由于其低成本、高豐度、高效和穩定的催化性能，是一種前景良好的催化劑，在電化學催化領域引起了相當大的關注，但能催化全水分解的材料鮮見報道。另外，對于新型電化學催化劑體系，還需要清楚地了解材料中活性位點的結構。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學俞書宏教授、梁海偉教授(共同通訊作者)等使用廉價的水熱碳質納米纖維、吡咯和NiCl2作為前驅體制備了Ni-N共摻雜碳納米纖維負載部分氧化的Ni納米顆粒(PO-Ni/Ni-N-CNFs)的納米復合電催化劑，并在Nano Energy上發表了題為“Partially oxidized Ni nanoparticles supported on Ni-N co-doped carbon nanofibers as bifunctional electrocatalysts for overall water splitting”的研究論文。得益于有效的活性中心、介孔結構和相互連接的一維納米纖維網絡，所得納米復合電催化劑在堿性介質中對HER和OER均表現出優異的催化活性和持久性。 此外，將PO-Ni/Ni-N-CNFs作為雙功能催化劑實際應用于分解水，在1.69V的電壓下達到了10mA·cm-2的電流密度。

【圖文簡介】

圖1 PO-Ni/Ni-N-CNFs的制備過程

PO-Ni/Ni-N-CNFs的制備過程示意圖。

圖2 PO-Ni/Ni-N-CNFs的表征

a) PO-Ni/Ni-N-CNFs的SEM圖像；

b) PO-Ni/Ni-N-CNFs的TEM圖像；

c,d) PO-Ni/Ni-N-CNFs的TEM圖像放大；

e) c圖中區域1的HRTEM圖像；

f,g) d圖中區域2、3的HRTEM圖像；

h) PO-Ni/Ni-N-CNFs中多孔CNF區域的HRTEM圖像。

圖3 PO-Ni/Ni-N-CNFs的電催化性能

a) 玻碳電極上HER的LSV曲線；

b) 玻碳電極上HER的Tafel斜率；

c) 玻碳電極上OER的LSV曲線；

d) 玻碳電極上OER的Tafel斜率；

e) PO-Ni/Ni-N-CNFs的穩定性實驗。

圖4 PO-Ni/Ni-N-CNFs的全分解水測試

a) 全分解水設備示意圖；

b) 置于泡沫鎳上的PO-Ni/Ni-N-CNFs在雙電極體系中電解水的LSV曲線，內插為PO-Ni/Ni-N-CNFs@泡沫鎳電極上產生氫氣和氧氣的照片；

c) 1.71 V下電極全分解水的長效性能測試；

d) PO-Ni/Ni-N-CNFs@泡沫鎳電極在40 h長效性能測試前后的LSV曲線。

【小結】

綜上所述，PO-Ni/Ni-N-CNFs復合材料的優異性能應歸因于以下三個重要方面的協同控制。首先，催化劑中存有三類內在活性位點，包括暴露的PO-Ni、Ni@C和Ni-Nx，可以有效催化HER和OER。盡管已證實暴露的PO-Ni結構是主要的活性位點，但Ni@C和Ni-Nx也為PO-Ni/Ni-N-CNFs催化劑提供了部分活性。其次，PO-Ni/Ni-N-CNFs具有較高的比表面積(241.0 m2·g-1)，介孔結構和較大的總孔體積(0.21 cm3·g-1)，有利于上述活性位點的暴露以及電催化相關物種的快速傳輸。最后，高度石墨化的CNF網絡結構不僅有利于電子快速傳遞，而且還提高了其催化穩定性。當用作全分解水催化劑時，PO-Ni/Ni-N-CNFs能夠在堿性電解池、1.69 V電壓下達到10 mA·cm-2的電流密度，同時具有出色的耐久性。理解催化劑中的主要活性位點將為開發用于電解水以及其它電催化過程的高性能雙功能催化劑提供更多機遇。

文獻鏈接： Partially oxidized Ni nanoparticles supported on Ni-N co-doped carbon nanofibers as bifunctional electrocatalysts for overall water splitting?(Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.06.071)

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