所谓伊人 在水一方——一个高效析氧电催化剂:[email protected]

蒹葭苍苍,白露为霜,所谓伊人,在水一方。水是生命之源,她创造了缤纷多彩的世界,给予世间万物生命,滋润着万物生长。如今,人类又期待着水赐与我们更美好的生活,我们从水中求取清洁能量之源:氢和氧。然而,溯洄从之,道阻且长。

我们渴望了解水的内心世界,谁能打破水的平静?科学家们致力于寻找高效电解水催化剂。电催化析氧反应在各类清洁与绿色能源存储与转换装置中,如太阳能电池、燃料电池、金属空气电池、电解水装置等,发挥着关键作用而得到了广泛的研究。然而其反应中存在的较高过电势及缓慢的动力学反应速率极大的限制了其在能源转换中的整体效率。目前,商业化析氧电催化剂仍依赖于贵金属IrO2和RuO2。然而贵金属储量稀少,价格高昂,长期运行过程中稳定性较差等缺陷限制了其广泛实际应用。基于此,设计储量丰富,成本低廉并具有与商业化IrO2和RuO2相媲美的高效析氧电催化剂极其重要。

研究表明,尖晶石型二元过渡金属氧化物因其高丰度、低毒性、丰富的氧化还原活性和优异的稳定性等优势,是一类极具应用前景的析氧电催化剂。然而其自身较差的电导率限制了其电催化活性,因此,将其与导电性优异的碳材料结合是目前研究的热点。在各类碳基载体中,一维碳纳米纤维具有较好的电导性、较高的比表面、较短的电子传输路径等优势,在能源与催化领域得到了广泛的关注。但是,常规的将尖晶石型过渡金属氧化物与碳纳米纤维耦合的研究策略往往程序复杂,成本不经济,并且催化剂易于团聚及脱落。近年来,静电纺丝技术具有操作方便、环境友好、可大规模生产等优点得到广泛研究,在实际应用中极具吸引力和广阔前景。

Untitled南京师范大学化学与材料科学学院唐亚文和徐林课题组应用静电纺丝技术,将廉价的过渡金属氧化物(CoFe2O4)原位锚定到氮掺杂的碳纳米纤维中。通过简易的高温热处理工艺,合成了一种新型的一维CoFe2O4@N-CNFs电催化剂。该催化剂在碱性测试条件下与商业化RuO2电催化剂相比,表现出较低的过电势,较高的电流密度,较小的塔菲尔斜率,及在长期运行环境中优异的稳定性。特别是CoFe2O4@N-CNFs在30.0 mA cm-2的电流密度下,过电势比商业化RuO2催化剂低186 mV;在1.8 V电势下,电流密度比RuO2催化剂高3.4倍。CoFe2O4@N-CNFs电催化剂优异的析氧电催化性能归因于活性位点高度均一分散,以及活性CoFe2O4纳米粒子与氮掺杂的一维碳纳米纤维独特的结构优势及协同效应。

研究者相信,这种通用、简易、高效的研究制备工艺可推广至实际生产应用,此研究将会为其他非贵金属过渡金属氧化物/碳纳米纤维在能源存储与转换领域的应用提供新的思路。相关论文在线发表在 Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201700226)上,第一作者为南京师范大学化学与材料科学学院硕士研究生李同飞。

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