双重掺杂:协同提升电催化活性

诸如金属-空气电池、燃料电池等电化学转换和储能技术领域在当今社会扮演着重要角色。为了达到可观的电化学性能,需要使用到价格高昂且资源稀缺的贵金属催化剂,比如IrO2、RuO2。过渡金属催化剂(如Fe、Co、Ni等)来源丰富且易制备,是潜在的贵金属催化剂替代品,但是其电子导电性差、易腐蚀、反应机理研究相对缺乏,在一定程度上也就限制了实际应用前景。碳基功能材料因其可控的结构组成和物化性质,在材料开发方面和能源相关领域掀起了广泛的研究兴趣。在电催化研究当中,碳材料通常作为载体材料用以负载导电性较差的活性组分来提高整体电子转移效率,进而提升催化性能。所以,研究碳材料本身在电化学反应过程中的作用显得尤为迫切,也为进一步设计合成新型高效碳基电催化剂提供新思路。然而,传统的思路多集中于电催化剂材料组分的改进上。值得注意的是,电化学性能的有效提升不仅受材料化学组成控制,也依赖于材料结构的进一步优化。针对高效电催化反应,材料组成和结构的设计和优化是至关重要的步骤。

AENM-qiaoshizhang

近期,澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授课题组采用电化学诱导-聚合法来制备自支撑氮磷共掺杂碳纳米纤维材料。其中苯胺单体在电化学诱导下有效聚合成聚苯胺纤维,而使用到的有机磷酸前驱体通过酸碱相互作用引入到聚苯胺当中,确保了双重掺杂效应。这种自支撑结构避免了常规粉末型电催化剂性能表征时的涂覆工艺(使用到有机粘结剂高分子),不仅简化了制备工艺,而且有效降低了电子转移阻抗,从而提高整体电子迁移效率。以析氧反应(Oxygen Evolution Reaction, OER)为探针反应,所得氮磷共掺杂碳纳米纤维材料在起始反应电位、反应动力学以及长期使用稳定性等方面均明显优于贵金属IrO2基准材料。实验结果表明,氮和磷双重掺杂相比于单一掺杂能够提供更大的电化学活性面积以及更丰富的活性位点。密度泛函理论计算显示,掺杂原子扰乱了碳原子π共轭电子体系,协同促进碳原子与杂原子之间的电荷转移,有效提升了材料的导电性。此外,与氮或者磷掺杂位点相邻的碳原子富电子,有利于析氧反应的进行。实验和理论计算结果综合表明氮和磷双重掺杂所带来的协同效应能有效改善电催化性能。

此项研究工作所发展的合成方法具有成本低廉、操作简便和易于规模化生产等特点,可应用到碳基三维网络材料和后修饰的功能化碳材料的制备。同时也阐述了碳材料在电化学反应过程中的作用,为今后碳基电催化剂的设计以及相关能源器件的开发提供了新方法。相关论文发表于Advanced Energy Materials  (DOI: 10.1002/aenm.201602928)上。

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