材料人 發(fā)布于2017-11-18 （http://www.cailiaoniu.com/111882.html）
【引言】
氧還原反應(yīng)(ORR)、析氧反應(yīng)(OER)以及析氫反應(yīng)(HER)中緩慢的動(dòng)力學(xué)過程是高效可再生能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換設(shè)備(如金屬-空氣電池、燃料電池等)面臨的主要挑戰(zhàn)。貴金屬(如Pt)或過渡金屬氧化物是有效的電催化劑，但仍具有成本高、穩(wěn)定性較差或電導(dǎo)率較低等不足。納米碳基催化劑具有良好的導(dǎo)電性以及可調(diào)節(jié)的表面化學(xué)性能，近年來獲得了廣大研究人員的關(guān)注。納米碳材料的催化活性可以通過雜原子摻雜調(diào)節(jié)(如硼、氮、磷、硫和氟等)進(jìn)而調(diào)節(jié)其電負(fù)性、電荷分布以及電子轉(zhuǎn)移行為。具有不同電負(fù)性的原子共摻雜(即引入更多的活性中心)可進(jìn)一步提高催化性能。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，燕山大學(xué)趙玉峰教授（點(diǎn)擊查看介紹）、蘇州大學(xué)李彥光教授（點(diǎn)擊查看介紹）、北京大學(xué)侯仰龍教授（點(diǎn)擊查看介紹）(共同通訊作者)等通過簡(jiǎn)單的熱解輔助原位催化石墨化過程制備了一種具有豐富缺陷的N,B-共摻雜石墨碳納米籠(NB-CN)多功能電催化劑，并在Nano Energy上發(fā)表了題為“N,B-codoped Defect-rich Graphitic Carbon Nanocages as High Performance Multifunctional Electrocatalysts”的研究論文。對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行密度泛函理論(DFT)計(jì)算以揭示其多功能催化活性的起源，計(jì)算結(jié)果表明，在ORR中N,B-共摻雜碳最低理論過電勢(shì)為0.34 V，OER中為0.39 V，HER中最低理論吉布斯自由能(ΔGads)為0.013 eV。之后將NB-CN用于鋅空氣電池中，功率密度最高可達(dá)320 mW·cm-2且長效性能良好，在實(shí)際應(yīng)用中潛力巨大。
【圖文簡(jiǎn)介】
圖1 NB-CN的合成和形貌表征
a) 石墨碳納米籠的形成示意圖；
b) NB-CN的SEM圖像；
c) NB-CN的TEM圖像；
d) NB-CN酸洗前的HR-TEM圖像；
e,f) NB-CN的HR-TEM圖像。
圖2 NB-CN的元素表征和相應(yīng)的理論計(jì)算
a) NB-CN的XRD圖譜；
b) NB-CN的Raman光譜；
c) NB-CN的EELS光譜；
d) NB-CN的XPS總譜；
e) NB-CN的N 1s XPS譜圖；
f) NB-CN的B 1s XPS譜圖；
g) 計(jì)算中N,B-共摻雜石墨烯的氮、硼和氧的相應(yīng)位置，1-13代表反應(yīng)位點(diǎn)；
h, i) N,B-共摻雜石墨碳納米籠在堿性介質(zhì)中ORR和OER自由能曲線。
圖3 NB-CN的電催化測(cè)試
a) O2飽和的1 M KOH溶液中N-C、NB-CN和商業(yè)化Pt/C的ORR LSV曲線；
b) O2飽和的1 M KOH溶液中不同轉(zhuǎn)速下NB-CN 的LSV曲線；
c) 不同電勢(shì)下NB-CN的K-L曲線和相應(yīng)電壓下的轉(zhuǎn)移電子數(shù)；
d) O2飽和的1 M KOH溶液中N-C、NB-CN和IrO2的OER LSV曲線；
e) N2飽和的5 M H2SO4溶液中N-C、NB-CN和商業(yè)化Pt/C的HER 的LSV曲線；
f) 0.1 M KOH中N-C、NB-CN、Pt/C和IrO2 的LSV曲線。
圖4 NB-CN 作為陰極材料在鋅-空氣電池中的應(yīng)用
a) 鋅-空氣電池的示意圖；
b) 鋅-空氣電池實(shí)物圖；
c) 以NB-CN和Pt/C為催化劑的鋅-空氣電池的極化曲線和功率密度曲線；
d) 10 mA·cm-2 and 50 mA·cm-2下以NB-CN和Pt/C為空氣催化劑的鋅-空氣電池的放電曲線。
【小結(jié)】
該研究報(bào)道了一種利用簡(jiǎn)單方法制備具有獨(dú)特缺陷結(jié)構(gòu)的N,B-共摻雜石墨碳納米籠，并從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面首次證實(shí)了N,B-共摻雜在ORR、OER和HER多功能催化活性中重要的價(jià)值。同時(shí)，NB-CN獨(dú)特的半開放納米籠結(jié)構(gòu)以及富缺陷的有序石墨結(jié)構(gòu)通過提供更多活性位點(diǎn)以及良好的電荷傳輸進(jìn)一步促進(jìn)催化活性提升。上述多功能催化劑可以作為ORR-OER、OER-HER雙功能催化劑用于金屬-空氣電池和電化學(xué)水分解等領(lǐng)域。
文章作者：
Lu Ziyang, Jing Wang, Huang Shifei, Hou Yanglong *,Li Yanguang *, Zhao Yueping, Mu Shichun, Zhang Jiujun, Zhao Yufeng*
文獻(xiàn)鏈接：
N,B-codoped Defect-rich Graphitic Carbon Nanocages as High Performance Multifunctional Electrocatalysts
(Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.004)