“吹糖”法制备多孔磷化钴/氮掺杂的碳纳米结构以及对水和其它小分子的电催化氧化

电解水析氢是一种有效的获取清洁能源的途径,然而电催化水分解中析氧反应(OER)的动力学过程迟缓,反应的过电位较大,极大地限制了水的电解效率。因此开发有效的电催化剂以促进OER反应动力学,降低过电位,进而提高能量转换效率成为现在研究工作的热点。过渡金属化合物因其资源丰富、价格低廉、环境友好,以及较好的电催化OER性能而备受关注。但是和贵金属Ir基和Ru基OER催化剂相比,此类催化剂的催化性能还存在较大差距。针对此类OER过渡金属化合物催化剂存在的问题,从材料设计的角度优化合成步骤、增大材料的比表面积以提高活性位点的暴露、增强反应位点的催化活性是实现这类催化剂大规模合成以及应用的前提条件。调控并优化其形貌、组分以及电子结构是提高OER性能的有效手段。值得注意的是将过渡金属化合物与碳材料进行复合产生协同增强效应,通常可以有效的改善材料导电性,提高OER催化活性以及稳定性。

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近期,华盛顿州立大学林跃河教授及其团队报道了利用“吹糖”法制备了具有多孔的磷化钴/氮掺杂的碳纳米结构,所合成多孔纳米结构作为电催化剂展现了优异的电催化析氧活性和稳定性,同时也实现了对葡萄糖和甲醇等小分子的良好的电催化效果。他们以葡萄糖为碳源,氯化铵为致孔剂和氮源,在无机盐硝酸钴存在的条件下依次高温碳化和低温磷化即可得到最终产物。由于制备简单,可以实现相关组分的大批量合成。在高温条件下,氯化铵分解产生大量气体作为模板在葡萄糖聚合碳化过程中产生气泡,在这个过程中金属前躯体会均匀分散在碳的载体中形成复合结构。中间产物([email protected]/N-C)在经过低温磷化就可以得到多孔磷化钴/氮掺杂的碳纳米结构(Co2[email protected]/N-C)。表征结果表明所得到的产物为多孔纳米结构组成,其比表面积高达298.7 m2/g。在高温碳化过程中金属前驱体会出现融合并在碳的复合纳米片上形成大颗粒,除此之外,C、N、P以及Co元素在碳的复合纳米片的分布均匀。由于其三维多孔纳米结构、活性中心的均匀分布以及与氮掺杂的碳的相互协同作用,Co2[email protected]/N-C展现了良好的OER电催化性能。其在10 mA cm-1的电流密度下,OER的过电位分别仅为320 mV,塔菲尔斜率分别低至40和48.8 mV dec-1。此外,Co2[email protected]/N-C还具有很高的稳定性,OER测试的运行周期长达16 h后,催化活性增强,在10 mA cm-1的电流密度下,OER的过电位减小为290 mV。DFT模拟进一步确认了相对于活性组分CoO, Co2P在OER过程中的反应中间体以及最终产物O2的能垒比较低,有利于OER活性的提高。另外他们还发现,[email protected]/N-C,Co2[email protected][email protected]催化氧化活性,在构建电化学传感平台以及非Pt燃料电池催化剂方面有潜在的应用价值

本工作发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201700796)上,第一作者为华盛顿州立大学朱成周博士和付韶芳。

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