用于水氧化反应的仿石榴结构的电催化剂

AM1水氧化反应是未来新能源和新兴储能技术的心脏,广泛存在于水裂解制氢、燃料电池、金属空气电池等应用领域。然而,作为一个多质子传递与多电子传递耦合的催化过程,其动力学较为缓慢,需要一个很高的起始电位,因此水氧化反应一直是制约相关应用发展的瓶颈。如何设计一个高效的水氧化催化剂也是近年来材料与能源领域的热点问题。

水氧化反应是一个多相电催化体系,其理想的催化剂需要一个良好的导电骨架、丰富的孔结构、充分曝露的高活性位点以及优良的界面耦合与传导。受石榴的果粒受限结构的启发,清华大学的张强副教授设计合成了一种基于空间受限生长的掺氮多孔石墨烯/镍铁水滑石层状双金属氢氧化物(nNiFe LDH/NGF)复合物,实现了高活性的NiFe LDH在导电骨架石墨烯上的纳米级均匀分散,获得了优于贵金属铱的优异性能。相关工作于以《掺氮石墨烯骨架材料限域生长纳米镍铁层状双金属氢氧化物用于高性能的水氧化反应》(Spatially-Confined Hybridization of Nanosized NiFe Hydroxides into Nitrogen-Doped Graphene Frameworks Towards Superior Oxygen Evolution Reactivity)为题发表在国际著名学术期刊《先进材料》(Advanced Materials)2015年第27卷第30期上

掺氮多孔石墨烯结构中的氮原子缺陷位和孔结构导致的拓扑缺陷提供了丰富的吸附金属离子并锚定成核的位点,而石墨烯的纳米孔作为一个纳米反应器限制了层状双羟基金属氢氧化物(即水滑石)的生长,从而获得了纳米级的高分散NiFe LDH。在这种仿石榴结构的电催化剂中,石墨烯提供了优异的电子传导骨架和离子/气体传递通道;纳米级的NiFe LDH均匀分散,充分曝露出其高活性位点;同时两者之间的强界面耦合也保证了电子在活性位点与导电基底之间的高效传导,从而实现了水氧化反应性能的大幅提高。在0.1 M KOH体系下,Tafel斜率达到45 mV dec-110 mA cm-2所需要的过电势为337 mV,在350 mV过电势下测试12000 s后甚至优于初始性能。

该工作设计提出了一种新颖且高效的石墨烯和金属氢氧化物的复合水氧化催化剂,在金属空气电池、可逆燃料电池、水分解等领域具有重要潜在应用价值。这种掺氮多孔石墨烯也作为纳米反应器平台,实现第二相的定位生长和界面调控,是构筑多级结构碳基复合材料理想纳米结构平台。该工作提出的基于缺陷锚定和空间限域的材料合成方法也为新型复合材料的设计与合成提供了新的原理与思路。