重拾金镶玉-具有出色双功能催化性能的金属氢氧化物-氮掺杂石墨烯复合材料

析氧反应(OER)和氧气还原反应(ORR)是电催化学科两种典型的催化反应,这两种反应在电解水,燃料电池,金属-空气电池等领域有着广泛的应用。而寻找一种简洁,高效,能将这两种催化性能集于一身的高效催化剂一直以来都是科研工作者的努力方向。层状双氢氧化物(LDH)和石墨烯(Graphene)作为二维纳米材料中具有代表性的两种,可谓是二维材料催化剂中“黄金”和“碧玉”。在之前的研究中研究人员发现Co3+离子在氢氧化物中可以在保持高OER催化活性的同时提高ORR催化活性(Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500245),同时掺杂graphene具有出色的ORR催化性能。基于此,北京化工大学孙晓明课题组和潘军青课题组利用原位生长的方法,以氮掺杂氧化石墨烯(N-GO)为基底,在其表面生长高密度,边缘活性位点得到充分暴露的NiCo3+Fe-LDH,得到的NiCo3+Fe-LDH/N-GO具有开放的三维结构,在保持每一单独组份催化性能优异的同时,提高了传质和电子传输,做到了将“黄金”和“碧玉”的紧密结合,实现了双功能催化剂“金镶玉”的制备,超过了单一组分的价值。

该双功能催化剂的OER催化性能优异,起峰电位为1.41 V,远远超过贵金属Ir、Ru基催化剂;ORR中起峰电位为0.88 V,虽距离Pt/C仍有所差距,但双功能半波电位差已经低至0.769 V,远低于Pt/C和Ir/C的组合。该工作证明了通过简单方法将两种具有单一功能催化剂有机结合一起从而实现优异双功能催化剂的可能,对于未来金属-空气电池的设计,能源转换领域的发展,有一定的推动作用。相关成果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201701905)上。