Small:催化剂碳载体的多级孔结构怎么调?也许可以加加湿!

具有多级孔结构的碳材料(hierarchical porous carbon, HPC)是优秀的催化剂载体之一。其多级孔结构一般由微孔(< 2nm)、介孔(2nm -50 nm)和大孔(> 50nm)组成。其中,微孔和介孔可以为活性位点的分散提供高比表面积,大孔则有利于降低传质阻力,提升反应效率。通常, 普遍使用不同尺度的硬模板(如,SiO2、MgO等)或软膜板(如,PS,PMMA,F123等)制备HPC。然而,模板通常是昂贵的,模板的后移除不仅是一种资源的浪费,它的操作复杂并且在大多数情况下对环境有害。尽管有研究报道了基于生物质的无模板化方法制备HPC,但是与使用模板法相比,当前无模板化方法制备HPC的可控性和孔结构的丰富程度仍然有限。

西北工业大学化学与化工学院张秋禹教授课题组联合新加坡国立大学Seeram Ramakrishna教授课题组针对这一问题展开合作,报道了一种新的无模板化路线,该方法基于湿度诱导的相分离机制设计聚合物前驱体的结构,从而制造一系列具有丰富拓扑结构和互连空腔的一维HPC。他们改变超支化聚酰亚胺(PI)前驱体静电纺丝过程中的环境湿度,实现对多级孔碳纳米纤维(HPCNF)内部从介孔到大孔结构的有效调控。通过引入Co/Co3O4纳米颗粒作为HPCNF上的活性物质(Co/Co3O4@HPCNF),该团队进一步探究了多级孔结构的演变对材料氧还原/氧析出反应(ORR/OER)电催化性能的影响。

实验结果表明,随着环境湿度由10%增加至70%,由于相分离的产生,PI前驱体纤维内部的多孔结构逐渐增加,经过高温碳化后,相应的Co/Co3O4@HPCNF内部拓扑结构由介孔逐渐演变成大孔。其中,介孔的产生归因于PI前驱体的超支化结构,而大孔的产生则归因于PI前驱体中孔洞的融合。当环境湿度为50%时,Co/Co3O4@HPCNF内部呈现出类似大麦根茎通气组织的介孔/大孔拓扑结构。这有利于氧气等反应物质的传输,使其表现出增强的ORR/OER电催化活性。以Co/Co3O4@HPCNF-50为双功能氧催化剂组装的锌-空气电池表现出出色的电化学性能,能量密度可达102.5 mW cm-2,在工作400圈后能保证稳定的电压输出和小的过电位。这项工作通过湿度诱导的方法实现了对碳材料多级孔结构的有效调控,并且为双功能电催化材料碳载体的拓扑结构优化设计提供了一种新思路。

相关论文以“A Humidity-Induced Nontemplating Route toward Hierarchical Porous Carbon Fiber Hybrid for Efficient Bifunctional Oxygen Catalysis”为题,在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202001743)。西北工业大学博士生田力冬为本文第一作者,西北工业大学张秋禹教授和新加坡国立大学Seeram Ramakrishna教授、季东晓研究员为本文共同通讯作者。