Energy Environ. Sci. 用作析氧反應和水裂解的單片無金屬電催化劑

【引言】

在不同的能量儲存和能量轉換體系中，析氧反應在電催化裂解水中是一個非常重要的半反應。然而，在正極中由于慢的動力學常數而帶來的析氧反應的過電勢的損失，這就要求合適的電催化劑來降低這個損失如在負極析氫反應要求外加電壓。由于催化劑的活性層容易脫落，且催化劑所在的位置有大量的氧氣析出，這導致催化劑的效率和壽命降低。因此，電催化劑的持久耐用性應該通過發展無金屬自給的電催化劑而得到提高。

【成果簡介】

近日，中山大學化學與化學工程學院的童葉翔教授課題組合成了一種三維單片無金屬的N摻雜多孔炭布的電催化劑，由于表面積的增加以及摻N作用的結果，自給型催化劑能夠有效的催化析氧反應，也第一次以相當低的過電勢被用作陽極用在堿性電解槽中。

【圖文導讀】

方案：合成原理圖?

方案1.單片3D NiD-PCC(3D self-supporting metal-free monolithic?porous carbon cloth doped with N-heteroatom)的合成原理示意圖

圖1.合成樣品的形貌

(a)BCC的SEM圖；

(b)、(c)NiD-PCC的SEM圖；

(d) TCC的SEM圖；

(e) NiD-PCC的TEM圖,內部插圖為NiD-PCC的標定的亮黃色標記區域的剝落部分的HRTEM圖;

(f)左圖中黃色區域的放大的TEM圖。

圖2.樣品的組成和結構

(a)N的等溫吸附曲線；

(b)孔徑大小分布；

(c)BCC和NiD-PCC樣品的拉曼光譜；

(d)BCC,NiC和NiD-PCC樣品的Ni的2p軌道的XPS圖；

(e)頂部：BCC和NiD-PCC樣品的正常的C的1s軌道的XPS圖；底部：NiD-PCC樣品的C的1s軌道的光譜；

(f)BCC和NiD-PCC樣品的N的1s軌道的XPS圖譜。

圖3.催化劑在析氧反應中的催化活性

(a)掃描速率為10mV/s時在1M NaOH溶液中的LSV曲線點；

(b)塔菲爾曲線點；

(c)催化劑的EIS曲線點，內部插圖為NiC和NiD-PCC催化劑的放大圖；

(d)NiD-PCC在電流密度為10mA cm^-2時間為28h時的穩定性測試，內部插圖為達到600個循環時的CV穩定性；

(e) NiD-PCC電催化劑在進行28h穩定性測試之前的LSV曲線點；

(f) NiD-PCC電催化劑在進行28h穩定性測試之后的Nyquist曲線點；

(e)中內部插圖為NiD-PCC電催化劑在進行28h穩定性測試之后的SEM圖。

圖4.系列樣品堿性電解槽的水完全裂解的活性

BCC//BCC、NiC//NiC和NiC//NiD-PCC堿性電解槽的水完全裂解的活性。

(a) 掃描速率為10mV/s時在1M NaOH溶液中的LSV曲線點；

(b)照片顯示了在NiC//NiD-PCC電解槽電極上有氫氣和氧氣氣泡產生；

(c) BCC//BCC、NiC//NiC和NiC//NiD-PCC電池在電流密度為10mA cm^-2時間為28h時的計時電勢測量圖。

圖5.樣品的電化學析氧特性

?NiO包覆BCC和NiD-PCC電催化劑的電化學析氧特性。

(a)NiD-PCC/NiO電催化劑的SEM圖；

(b)BCC/NiO和NiD-PCC/NiO電催化劑在電流密度為20mA cm^-2在1M KOH溶液中的LSV曲線點。

【展望】

這種方法在發展高性能電極材料上為自給型材料和有效的基底的合成提供了一種新的思路，這不僅體現在電催化劑上，也體現在其他能量儲存和轉換系統中。

童葉翔教授簡介：童葉翔，男，中山大學化學與工程學院教授、博士生導師，中國化學會理事，中國電化學會材料電化學分會委員，廣東省稀土協會理事，被評為中山大學教學名師，廣東省南粵教壇新秀，國家理科基地建設實施先進工作者等，目前主要研究方向為納米材料的電化學合成及其性能表征，主要包括過渡金屬氧化物、半導體材料、高熵合金、光催化和電催化材料、光電材料、超級電容器等。

原文鏈接：A monolithic metal-free electrocatalyst for oxygen evolution reaction and overall water

splitting??(Energy Environ.Sci.，2016，DOI:10.1039/c6ee01930g)

本文由材料人編輯部新能源學術組YenHo供稿，點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。