聚多巴胺介导的氮硫双掺杂碳纳米管用于双功能电解水催化剂

当今世界,化石能源日益枯竭,且化石能源的使用是造成环境变化与污染的关键因素。因而,开发更清洁的可再生能源势在必行。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢的能量密度高,其本身无毒,燃烧产物是水,无污染,且能循环使用。。因此,氢能作为一种高效、清洁、可持续的“无碳”能源已得到世界各国的普遍关注。

电解水和光辅助水裂解是未来最有效的制氢方法,其涉及到阴极析氢反应和阳极析氧反应。为降低两个电极反应的过电位并加快反应速率,电催化剂的使用扮演着尤为重要的角色。Pt、Ir、Ru等贵金属是性能最好的析氢析氧催化剂,但是这些材料价格昂贵、成本太高、储量稀少,在实际生产中无法推广应用。近年来,过渡金属如Fe、Co、Ni、Mo和W基材料受到了广泛的研究,这些非贵金属价格低廉且表现出较高的催化活性,但是,它们很容易受到腐蚀和氧化。另一方面,近年来,杂原子掺杂的碳纳米材料作为电催化剂也显示出很大的潜力。碳材料的来源丰富,且结构与化学组分可调,其电催化活性可与金属材料甚至贵金属材料相提并论。更重要的是,碳材料有很强的耐酸碱性,尤其在酸碱介质中,其稳定性比金属材料更好。此外,杂原子(如,氮、硼、磷和硫等)掺杂可以有效的调节碳材料的电子性质和化学性质。其中,两种不同杂原子的共掺杂比单掺杂具有更明显的效果,共掺杂通过两种原子之间的协同作用,可大大提高碳材料的电催化活性。

AENM-daisheng

澳大利亚阿德莱德大学戴胜课题组利用聚多巴胺的特性合成了氮硫双掺杂的多壁碳纳米管(N,S-CNT),并用作双功能的电解水析氢析氧催化剂。多巴胺在碱性条件下发生自聚合生成聚多巴胺,同时粘附在纳米管上,形成均匀连续的薄膜,再通过硫加成反应,巯基试剂可以高效的嫁接到聚多巴胺上,高温碳化后即得到N,S-CNT。此方法可实现简单、高效的氮硫共掺杂(3.8% N 和 5.6% S)。在碱性溶液中,达到10mA/cm2的电流密度,析氢和析氧反应所需的过电位分别是0.45V和0.36 V,两者性能在非金属碳材料中都是最好的。理论计算证实氮硫双掺杂导致大量碳原子的自旋密度差异,有利于析氢和析氧反应中间体的吸附。

该工作成果不仅为利用聚多巴胺合成功能复合材料提供了新思路,也表明了碳材料作为催化剂在高效电解水应用上具有潜在的价值。相关工作发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201602068)上。