蚕丝的华丽转身:具有优异电催化活性的多孔碳纳米片

含有边缘/缺陷和Me-Nx-C(过渡金属-氮-碳)结构的纳米碳材料往往表现出优异的电催化氧反应活性。而如何通过结构设计和简便的制备技术实现在纳米碳材料中引入丰富的边缘/缺陷结构和原子级分散的 Me-Nx-C 活性位点,是高性能能源器件发展研究的热点和难点。蚕丝,作为一种天然的蛋白材料,具有本征富氮的特点,它可通过简便的高温热处理转化为本征氮掺杂的碳材料。其中,蚕丝的主要成分丝素蛋白可溶解为溶液,冷冻干燥后形成再生丝素蛋白泡沫。

基于课题组丰富的蚕丝基碳材料研究经验,清华大学化学系张莹莹团队以氯化铁和氯化锌溶液溶解的丝素蛋白为原料,经高温热处理,制备了具有原子级分散Fe-Nx-C位点的多孔碳纳米片。该策略的设计思路主要包括三点:(1)丝素蛋白分子链中的疏水和亲水链段在溶液中自组装,从而使得再生丝素蛋白中具有二维纳米片结构,在热解过程中转化为氮掺杂的碳纳米片; (2)铁离子与氨基之间的强相互作用,将铁离子锚钉于再生丝素蛋白骨架,有助于二维碳骨架中原子级分散Fe-Nx-C的形成,且热解过程中还原性铁组分的形成则可促进纳米碳的石墨化; (3)氯化锌作活化剂,在碳纳米片上刻蚀出纳米孔,从而形成较大的比表面积。所制备得到的多孔碳纳米片具有很高的比表面积(~2105 m2/g)和原子级分散的Fe-Nx-C位点。由于其丰富的纳米孔结构、极高的比表面积以及原子级分散的Fe-Nx-C结构,该多孔纳米碳不但表现出优于商业Pt/C电催化剂的氧还原反应(ORR)电催化活性(其ORR半波电位为0.853 V,Tafel斜率为61.4 mV/dec;Pt/C催化剂的半波电位为0.834 V,Tafel斜率为78.0 mV/dec),而且表现出极高的循环稳定性(经过5000圈和30,000圈循环测试,其半波电位仅降低3 mV和11 mV;而Pt/C催化剂经过5000圈循环测试后,半波电位降低47 mV)。

该工作提出的以蚕丝蛋白为原料构筑原子级分散Fe-Nx-C多孔纳米碳的策略,为高活性高稳定性的氧反应电催化剂的制备提供了新思路,有助于促进相关新能源器件的发展。相关论文发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201804966)上,论文的第一作者是王春雅博士。

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