碳基纳米复合材料可替代铂用作非金属析氢电催化剂

 

afmfanxiujun以化石能源为主的能源消费模式已导致人类社会面临着严峻的能源危机。发展可再生、洁净的能源载体是当今世界面临的挑战。在当前提出的各种能源策略中,最具有大规模应用潜力的一种方案是以电能为基础并以氢气为能源载体的方案。电分解水制氢 (hydrogen evolution reaction, HER) 是大规模获取氢能源的最主要的途径。对于析氢反应,贵金属元素 (例如Pt) 具有优异的电化学析氢催化活性,其析氢起始电位低,但其价格昂贵,难以大规模应用。过渡金属硫化合物 (如MoS2等)、磷化物 (如FeP等) 等具有较高电催化析氢反应活性,但其在电解液中循环稳定性较差。因此,制备原料来源广泛、高电催化活性和稳定性的非铂电催化剂,是纳米能源材料研究领域的热点与难点。
纳米金刚石在酸碱环境下具有较高的耐腐蚀性,常用作一些贵金属电催化剂的支撑材料。纳米金刚石在还原气氛下表层的Sp3AFmfanxiujun2碳原子会逐步向Sp2碳原子转变,最终会形成石墨化的金刚石 (graphitized nanodiamond (GD))。同时,超细的SiC 具有较高的电催化活性,但是,由于其较高的熔点,采用传统方法难以获得纯相、高结晶质量的纳米晶体。山西大学晶态材料研究所教师范修军博士在国际上首次采用热丝化学气象沉积法,以垂直碳纳米管阵列 (VA-CNTs) 作为基底,以SiC作为纳米金刚石成核生长的籽晶,制备出纯相、高结晶度的石墨化金刚石纳米晶体。SiC与石墨化金刚石形成独特的核壳结构。如此同时,由于原子态氢的剖开、刻蚀作用,垂直碳纳米管被剖开并保持其定向垂直特性,形成垂直石墨烯纳米带 (VA-GNRs),并最终获得碳化硅-石墨化金刚石@石墨烯纳米带 (SiC-GD@GNRs) 的复合材料。SiC-GD@GNRs复合材料具有接近于铂的电分解水制氢催化活性,其开启电压约为8 mV,塔菲尔斜率约为54 mv dec-1,该复合材料同时具有较强的催化稳定性。该研究工作为非金属电催化剂材料的研发提供了重要的学术思路和技术途径。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201600076)上。