戴黎明Angew: 自供電電解水三摻雜石墨烯無金屬催化劑的合成

【引言】

析氧反應（OER）和析氫反應（HER）是電解水產生氧氣/氫氣的關鍵。同樣，氧還原反應（ORR）在可再生能源技術中也發揮著重要作用，包括燃料電池和金屬-空氣電池。對電解水、金屬-空氣電池等清潔能源技術來說，電催化劑是必不可少的。催化劑能夠降低反應過電位，加快反應速率。目前，針對電催化劑的研究主要集中在鉑基、金屬氧化物等材料上。鉑基催化劑一直是ORR和HER的高效催化劑，但其對OER催化活性相對較差。金屬氧化物（如氧化釕、銥和鈣鈦礦氧化物）已作為OER催化劑在廣泛研究,但是其HER催化活性還有待進一步提高。因此，尋找對ORR、OER、HER具有高效催化活性的催化劑，是發展電解水、金屬-空氣電池等可再生能源技術的關鍵。

【成果簡介】

近期，美國凱斯西儲大學高分子科學與工程系戴黎明（DaiLiming）教授（通訊作者）等人在六氟磷酸銨（AHF）存在的條件下熱解聚苯胺（PANi）涂層的氧化石墨烯（GO-PANi）得到了對ORR、OER、HER具有良好催化活性的N，P和F三摻雜石墨烯無金屬催化劑。AHF不僅是摻雜的N，P，F三種原子的來源，而且其熱分解有助于形成多孔結構。研究人員將制得的催化劑用電解水和Zn-空氣電池相結合的裝置測試，形成了一個自供電電解水系統。該系統在空氣環境中具有較高的氣體產生速率，氫氣和氧氣的產生速率分別為0.496和0.254?μL?s^?1，充分顯示了N，P和F三摻雜石墨烯無金屬催化劑在實際應用中的巨大潛力。

【圖文導讀】

圖1： GO-PANi-FP三功能催化劑的制備流程圖

聚苯胺（PANi）首先通過氧化聚合的方法沉積在氧化石墨烯（GO）的表面，形成GO-PANi。GO-PANi與六氟磷酸銨（AHF）一同進行熱處理。聚苯胺的熱解和AHF的熱分解使得氮、磷、氟摻雜的石墨烯（GO-PANI-FP）形成。

圖2：樣品表面特性及元素分析

（A-C）GO-PANi、GO-PANi31、GO-PANi51三種樣品SEM圖；

（D-E）GO-PANi31樣品TEM圖及其元素分析；研究人員發現N、P和F三種雜原子摻雜可以改變樣品的表面特性，向石墨烯片中引入缺陷，從而提高電催化活性。

圖3：樣品化學成分表征

（A-B）GO-PANi31-FP及 N1s、P2p和F1s的XPS圖；

（C）GO-PANi31、GO-PANi51的拉曼光譜；

圖4：電化學性能表征

（A-C）ORR的LSV曲線及其對應催化劑的電子轉移數和過氧化氫在總氧化還原產物中的百分比；

（D-E）OER的LSV曲線及其對應的塔菲爾曲線；

（F-G）HER的LSV曲線及其對應的塔菲爾曲線；通過對比，研究人員認為GO-PANi31-FP是最好的無金屬OER催化劑之一；此外，GO-PANi31-FP具有良好的HER催化活性。

圖5：電解水性能測試

（A-B）電解水前/后的電極光學圖片；

（C）O ₂和H ₂產量與水分解時間的函數圖像。

【總結】

本文主要介紹了對ORR、OER和HER具有催化活性的N、P、F三 摻雜石墨烯無金屬催化劑的合成，并對其催化性能進行了表征?。該催化劑能夠實現自供電電解水，在其催化作用下，氫氣和氧氣的產生速率分別為0.496和0.254?μL?s^?1，充分顯示了N，P和F三摻雜石墨烯無金屬催化劑在實際應用中的巨大潛力。同時，本文研究不僅是合成了一種高效催化劑，也為無金屬催化劑的發展提供了一種指導。

??文獻鏈接：Nitrogen, Phosphorus, and Fluorine Tri-doped Graphene as a Multifunctional Catalyst for Self-Powered Electrochemical Water Splitting（Angew. Chem. Int. Ed.,?2016,?DOI: 10.1002/anie.201607405）

該文獻匯總由材料人編輯部學術組Liangqi Gui供稿，材料牛編輯整理。

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