湖南大學王雙印Adv. Mater.：從碳纖維原位剝離的富邊緣、氧參雜的石墨烯用作氧氣電催化

【引言】

3月9日，《先進材料》(Advanced Materials)在線發表了湖南大學王雙印教授和美國北德克薩斯大學夏振海教授關于碳材料在氧氣電催化領域的一項研究進展“In Situ Exfoliated, Edge-Rich, Oxygen-Functionalized Graphene from Carbon Fibers for Oxygen Electrocatalysis”.

電催化ORR和OER作為金屬空氣電池和燃料電池兩個重要反應部分，而其反應動力學較差，發展高效廉價的電催化劑至關重要。雖然非金屬材料用于催化ORR和OER已有了廣泛的研究，但是這些材料通常涂覆在三維的導電基底上用于促進電子和物質轉移，其電極制作過程較為復雜。該課題組利用等離子體技術直接處理商業化碳布，不僅使碳纖維表面變的多孔，還在其表面原位產生富缺陷、氧參雜的石墨烯。與純碳布相比，經過簡單的等離子體刻蝕過的碳布ORR和OER性能均有了明顯提升。理論計算結果表明，通過等離子體產生的邊緣碳、氧參雜和缺陷對促進ORR和OER均有著重要作用。

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【圖文解讀】

圖1：純碳布和等離子體刻蝕碳布的形貌對比圖

A、B純碳布的SEM圖。 C、D等離子體刻蝕碳布的SEM圖。 E、F等離子體刻蝕碳布的HRTEM圖。

通過電鏡圖對比，可以明顯的發現等離子體刻蝕使得碳纖維表面變得更加粗糙、多孔，表面暴露出很多石墨烯狀的納米片。HRTEM可以看出表面產生的堆疊、卷曲的碳納米片，厚度只有5~7層。并且這種方法制備的碳片面間距約0.37 nm，比石墨的d₀₀₂=0.34 nm要大。

2、XPS結果分析

對比可以發現等離子體刻蝕之后碳纖維的氧含量明顯增加。并且碳的SP²/SP³明顯減小，這意味著等離子體處理可以產生更多的缺陷。

3、電化學性能圖

由于等離子體刻蝕過程中產生的邊緣碳、氧參雜和缺陷使得制備的材料相對于純碳布表現出更優異的OER和ORR性能。

4、DFT計算研究催化機理

圖A是含有羧基官能團和缺陷位的石墨烯OER反應自由能圖。

圖B是含有羧基官能團和缺陷位的石墨烯ORR反應自由能圖。

圖C是椅形和之字形石墨烯納米帶不同位點的ORR火山圖。

圖D是椅形和之字形石墨烯納米帶不同位點的OER火山圖。

圖E是有缺陷和C-OOH椅形石墨烯的電荷轉移分析圖。

圖F是無缺陷和帶有C=O石墨烯的電荷轉移分析圖。

藍色代表正電荷黃色代表負電荷，紅圈代表活性位點。

理論計算表明，等離子體處理產生的氧參雜和缺陷對電催化性能的提高有著協同作用。

【總結】

通過氬氣等離子體刻蝕在碳纖維表面原位產生無定型的、富邊緣/缺陷的石墨烯，這些缺陷位點的懸掛鍵暴露在空氣中和氧氣或者水反應實現了氧功能化。等離子體刻蝕之后的碳纖維具有更大的比表面積，暴露出更多的活性位點，并且處理后的碳纖維具有較好的導電性，更有利于物質轉移，使得其具有更好的OER和ORR催化性能。結合理論計算，詳細的分析了等離子體產生的邊緣碳、缺陷和氧參雜對促進ORR和OER性能的影響。

文獻鏈接：In Situ Exfoliated, Edge-Rich, Oxygen-Functionalized Graphene from Carbon Fibers for Oxygen Electrocatalysis (Adv. Mater. 2017,?DOI：10.1002/adma.201606207)

本文由材料人新能源組 小峰 供稿，背逆時光 編輯整理。

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