柔性自支撑催化剂基底:石墨烯介孔结构/碳纳米管复合膜

氢气是一种高能量密度的洁净能源,是现有化石燃料的理想替代物。高质量氢气可以通过电解水得到,然而,高效贵金属催化剂含量稀少、价格昂贵。近年来,人们致力于寻找含量丰富的非贵金属催化剂,如硫化钼、磷化镍等。这类催化剂导电性差,可以通过提高其导电性或增加活性位点等方法来提高其催化活性。在现有研究中,催化剂被负载在各种导电基底上,如泡沫镍、碳布、还原氧化石墨烯纸等。然而,这些基底缺乏精细设计,比表面积低,暴露的催化剂活性位点有限,限制了产氢性能。因此,寻找一种高导电率、高比表面积、且在酸碱溶液中化学性质稳定的基底具有重要意义。

近日,清华大学朱宏伟教授团队设计了一种独立自支撑的石墨烯介孔结构/碳纳米管复合膜,负载硫化钼(MoSx)后,得到了优异的催化性能。采用三嵌段共聚物F127的胶束作为软模板与部分还原的氧化石墨烯进行氢键结合,后续形成石墨烯介孔结构。然后加入碳纳米管分散液,混合搅拌后进行抽滤得到膜结构。在抽滤过程中,F127胶束模板被部分还原的氧化石墨烯层片包裹,发挥模板作用。碳纳米管一方面降低了抽滤过程中石墨烯层片的贴合,另一方面提高了膜的导电性。干燥后的膜具有较好的强度,可以直接从滤膜上揭下。干燥后的抽滤膜退火去除F127模板,即可得到石墨烯介孔结构/碳纳米管复合膜。同时,对模板剂与部分还原氧化石墨烯的相互作用、碳管的添加比例进行了精细调控,以达到最优性能。

advs利用这种柔性的复合膜结构作为基底,电沉积硫化钼得到复合电极,在电催化测试中表现出优异的性能。在32μg/cm2的低负载量时,催化起始电位~113 mV vs RHE,在250 mV过电位下的电流密度为71 mA/cm2,与之前同类研究相比,具有低负载量、高效催化的特点。同时,电极变形后其催化性能保持相对稳定,便于在受限空间、结构复杂反应器或极端催化环境中应用。这种复合膜制备简单、可批量化生产,除硫化钼外,也可作为其他催化剂的基底,为复合催化剂的设计提供了新思路。相关成果在线发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201600208)上