氧化钴纳米片/纳米管多级复合结构作为高效的水氧化催化剂

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电催化分解水产生氢气和氧气是氢氧燃烧生成水的逆过程,已成为工业中制备氢气和氧气的重要方法,并为下一代清洁氢能源提供原料和关键技术。然而,受限于水氧化产氧的缓慢的四电子传递过程,氧气析出反应(Oxygen Evolution Reaction, OER)一直是制约电解水的一个瓶颈过程。因此,设计合成新型、高性能,基于非贵金属材料的OER催化剂,成为当今材料科学与新能源领域的研究热点。最近,受自然界植物叶片多级结构的启发,复旦大学的郑耿锋教授与蔡文斌教授课题组设计合成了一种基于氧化钴(CoOx)的二维/一维多级复合纳米结构,实现了在原子、纳米和微米三个尺度上的结构设计与优化,获得了已报导钴基化合物最高比表面积和最好水氧化催化剂活性,相关结果发表在近期Advanced Science上(DOI: 10.1002/advs.201500003),并被选为该期杂志的封面。

自然界中,植物叶子具有独特的两维/一维多级结构,可提高传质效率与增强表面反应面积。受此启发,研究者们以氧化亚铜纳米线为模版,原位刻蚀并生长了一种基于氧化钴的二维/一维多级复合纳米结构——由超薄(几个原子层厚度)的氧化钴纳米片在一维方向上围绕着一根主轴,进一步组装成具有几十微米长、直径在200纳米左右的的空心纳米管结构,实现了在原子、纳米和微米三个尺度上的结构设计与优化。在原子尺度上,该材料具有高活性的Co2+八面体结构,利于电催化析氧反应;在纳米尺度上,该多级结构具有超高的比表面积(371 m2 g-1),可有效促进界面电化学反应;在微米尺度上,这些纳米管进一步交织组装成三维网状结构,更适合电荷和离子的传质过程。实验结果显示,这种两维/一维多级结构的氧化钴纳米结构具有已报导的钴基化合物中最高的电氧化水催化性能,其启动电位相对可逆氢电极为1.46 V,并在1.65 V时电流密度达到51.2 mA cm-2,Tafel斜率达到75 mV dec-1。进一步,研究人员利用这个氧化钴多级结构产氧催化剂,以及一个铂网作为对电极,实现了在1.5 V单电池驱动下的水分解。该工作提供一种对三维结构材料进行多尺度优化的合成方法,也为其它过渡金属化合物的合成和应用提供了新思路。

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