基于CuCo嵌入的氮掺杂介孔碳作为高效氧还原和析氢电催化剂

目前开发的各种可再生能源生产和存储技术中,电化学水裂解制氢、燃料电池、金属-空气电池等能量转化和存储装置以其效率高、结构简单、环境友好和应用范围广等优点受到广泛关注,而氧还原反应(ORR)和析氢反应(HER)在这些能量转化和存储装置中扮演了重要角色。目前性能优异的催化剂主要是具备低过电势和高电流密度等优点的铂基材料。但是,由于贵金属铂元素含量较少,此类材料难以得到大规模的工业应用。因而,研发基于非贵金属的高效催化剂势在必行。有理论研究表明,在非贵金属催化剂中,铜拥有接近铂基催化剂的氧还原催化活性。但由于铜的扩散系数比较大,导致铜基电催化剂极易团聚,使得铜电催化剂的大部分活性中心没有被充分利用。并且其空气敏感性也制约了更高活性电催化剂的设计和开发。另一方面,氮掺杂碳包覆金属(M@N-C)基电催化剂,是一种极有前景的非铂催化剂。氮掺杂碳层不仅能减少纳米颗粒的聚集问题,还能和金属形成新的催化活性中心(M-N-C),从而提高催化反应的效率。

AENM-zhenggengfeng

最近,复旦大学先进材料实验室和化学系郑耿锋教授课题组,通过在Cu(OH)2纳米线上预生长沸石咪唑框架 (ZIF-67),运用约束铜热转换方法制备了一种铜、钴双金属嵌入的氮掺杂介孔碳结构材料(CuCo@NC)。在制备过程中,利用铜离子和ZIF-67不同的热分解性质(ZIF-67的热稳定性高于铜),使得生成的铜离子被限制在ZIF-67的介孔结构中以减少铜自聚集的发生。同时,铜-氮键的生成使得在高热解温度条件下来自于ZIF-67的碳骨架材料中的氮含量进一步增加。通过这种方法,研究人员得到的材料具有丰富的反应活性位点、高氮掺杂、强协同耦合及更好的质量活性等优点,在电催化氧还原反应和析氢反应中表现出了优异的性能。在氧还原反应中,该催化剂展现出高的半波电位(0.884 V vs. RHE)和优异的电化学稳定性,连续反应1小时之后,依然保持有94 %的反应活性。该催化剂还具有更好的抗甲醇性能,显示出极好的替代Pt基催化剂的潜力。此外,在析氢反应中则表现出了较低的过电位和较小的塔菲尔斜率。通过以上反应,该材料在电催化领域中,展现出了的广阔应用潜力。更重要的是,该研究中的制备方法对其他前驱体制备的M@N-C基电催化剂的性能提高具有借鉴意义。相关论文近期发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201700193)上。

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