当石墨烯“牵手”碳纳米管

新型高效双功能氧还原-氧析出催化剂的制备和性能

随着化石能源的日益枯竭和随之而来的环境恶化日益严峻,新型、高效的可再生能源系统是当今社会广为关注的焦点。在能源转化过程中,氧-氧活化,即氧还原和氧析出是重要的化学反应。以氧-氧活化反应为核心可以构建燃料电池、金属空气电池和水分解等新型能源体系,具有广泛的应用前景。然而,氧还原和氧析出两个反应动力学往往进行缓慢,需要较大的过电势作为驱动,降低了能量利用效率。发展兼具氧还原和氧析出两个反应的高电催化活性的催化剂是实现氧-氧活化参与能源体系的有效可持续利用的重要手段。基于铂、铱、钌等贵金属及其合金或氧化物的催化剂虽然催化活性较高,但其面临价格昂贵、资源稀缺、稳定性差等问题,严重制约其广泛应用。如果能够开发价格低廉、丰富易得、性能优异的非贵金属和非金属催化剂,则有望高效提高该过程的效率。

以石墨烯和碳纳米管为代表的新型纳米炭材料在催化剂应用领域具有广阔的应用前景。通过对其进行氮原子等的掺杂可以有效调控其导电性和催化反应活性。近日,清华大学的张强、魏飞教授研究组和新加坡南洋理工大学的于丁山博士合作研究设计出一种基于氮掺杂的石墨烯/碳纳米管杂化物的新型高效双功能氧还原-氧析出催化剂,相关文章在2014年6月11日出版的Small发表期刊的Graphene Research in China特刊中发表,文中图片被选为该期期刊的封面

该课题组综合了石墨烯和碳纳米管的双重优良特性,利用一种能同时催化两种材料生长的催化剂(层状双羟基复合金属氢氧化物,即水滑石),通过化学气相沉积一步制备出共价连接的氮掺杂石墨烯/单壁碳纳米管的杂化物。单一组分的石墨烯或者碳纳米管往往因为其石墨层间的范德瓦尔斯作用力而堆叠或者缠结,而杂化之后的纳米结构就具有自分散的特性,有效抑制团聚问题。这种杂化材料具有高比表面积(812.9 m2/g)、丰富的孔结构(2.233 cm3/g),高活性位点以及高的导电性(53.8 S/cm),从而其具有优良的电催化活性。将其用于氧还原反应,发现这种杂化材料具有接近于商用Pt/C的催化活性,同时其稳定性和对甲醇的耐受性都要优于商用Pt/C催化剂。另外,此种氮掺杂的石墨烯/碳纳米管杂化物材料对氧析出反应也具有很好的催化活性。该种杂化物材料其原料廉价易得、制备方法简单易于批量生产,同时其催化活性高、稳定性好。因此,这种氮掺杂的石墨烯/碳纳米管杂化物材料有望取代贵金属催化剂,为燃料电池、金属空气电池和水分解等能源体系的进一步发展带来新的契机。