全解水双功能电催化剂:类富勒烯硫氧化镍中空纳米球

近年来,随着能源和化石燃料消耗的不断增加,探索新方法,开发新型清洁能源来替代不可再生能源越来越引起人们的广泛关注。其中,利用电化学全解水的方法产生的环境友好型可再生清洁能源:氢气和氧气逐渐吸引了广大科研工作者的研究兴趣。为了加快全解水反应的反应速率,降低过电势,制备出可用于催化析氢和析氧反应的高效电催化剂成为亟待解决的问题之一。迄今为止,人们发现贵金属铂族金属是较好的析氢反应催化剂,铱、钌基材料能高效的催化析氧反应。然而,由于贵金属的稀缺性和高成本,从而限制了它们的应用。鉴于此,近年来,将非贵金属(镍、钴、铁、钼、钨等)基材料负载于不同的基底上作为催化析氢或析氧反应的研究已经取得了较大的进展。其中,利用非贵金属硫化物材料作为催化剂催化析氢和析氧反应已经成为一个研究热点。然而,由于在制备方面的难度和稳定性较差,以及在电催化过程中许多硫化物不能同时催化析氢和析氧,并经常转化成氧化物或氢氧化物。这一系列的问题导致该研究课题仍然面临巨大的挑战。

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近期,清华大学化学系王训课题组应用溶剂热方法成功制备了一种类富勒烯硫氧化物中空纳米球的双功能电化学催化剂。利用透射电子显微镜观察到其形貌大小较为均一,直径大概为50nm,小角XRD测试结果表明该类富勒烯中空纳米球内的层间距为~3 nm。然而单一的这种类富勒烯球在催化析氢和析氧反应中活性并不高,这可能是由于硫氧化镍本身导电性能不好,造成电子的传输速率较慢,从而影响其催化性能。但他们发现将这种类富勒烯中空纳米球原位生长到泡沫镍表面,制备得到的这种复合材料能够作为一种双功能电催化剂在1M KOH电解质溶液中高效的同时催化析氢和析氧两种反应:该催化剂在析氢反应中表现出极低的起峰电位50 mV(vs.RHE),10 mA/cm3 电流密度对应的过电势为140 mV;在析氧反应中起峰电位为1.475 V(vs.RHE), 10 mA/cm3 电流密度对应的过电势为290 mV。同时,在两电极体系中,该复合材料可以分别作为阴极和阳极材料进行全解水反应,其10 mA/cm3 电流密度对应的电压为1.55V,该性能目前已报道的多数双功能催化剂。经过表征测试和分析,他们认为该催化剂之所以具有如此高效的催化性能,一方面可能是由于硫氧化镍中合适的硫与氧的比例,另一方面可能是由于选用的基底泡沫镍是一种多孔材料,本身就具有较好的导电性能,将硫氧化镍类富勒烯中空纳米球原位生长至泡沫镍表面可大大扩展其表面积,从而有利于电子和气体的传输和转移。同时,利用循环伏安法测得的电化学活性表面积结果表明泡沫镍与类富勒烯球的协同效应也导致了活性位点的增加,从而进一步增强了其催化活性。

该工作将为制备高效的双功能非贵金属硫氧化物电催化剂提供新的研究思路。相关结果发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201602637)上。

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