ACS Catalysis：基于五氧化二磷多功能模板法合成二维磷掺杂碳纳米片及其在锌空电池中的应用研究

【引言】

碳材料不仅具有化学稳定高、导电性好等优点，由于多孔结构的引入，还具有比表面积高、孔道结构丰富、孔径可调等特点，在催化、吸附和电化学储能等方面都得到了广泛的应用。通过将氮、磷、硫等杂元素引入多孔碳材料晶格中，不仅可以显著提高材料的润湿性、导电性，还能创造大量的缺陷，为电化学反应提供更多的反应活性位点。然而，由于常规合成方法的复杂性造成了杂原子掺杂多孔碳材料合成的工序繁琐、复杂，限制了其工业化生产；同时，由于缺乏有效的手段来调控其孔隙结构，进一步限制了其应用范围。

【成果简介】

最近，来自加拿大滑铁卢大学的陈忠伟教授和华中科技大学的王得丽教授等人在ACS Catalysis上发布了一篇关于五氧化二磷多功能模板法合成二维磷掺杂碳纳米片的文章，题为“Two-Dimensional Phosphorus-Doped Carbon Nanosheets with Tunable Porosity for Oxygen Reactions in Zinc-Air Batteries”。

作者通过五氧化二磷在不同反应过程中的多功能作用，以葡萄糖、蔗糖等生物质材料为前驱体，成功地制备了一种具有多孔结构的磷掺杂碳纳米片材料（2D-PPCN）。由于五氧化二磷的存在及其衍生的磷酸的脱水缩合作用，固相水热过程中就会产生基于片状结构的聚偏磷酸模板。同时，通过在固相水热阶段调控五氧化二磷与葡萄糖的比例，能够调控终产物的孔隙结构。当五氧化二磷和葡萄糖的比例为3：1时，所得产物中介孔较多，且材料的比表面积高达1555.8 m² g^-1，孔体积为1.383 cm³ g^-1。

随后，作者研究了采用不同五氧化二磷与葡萄糖的比例制备的不同结构的磷掺杂碳纳米片材料作为ORR/OER双功能催化剂的电催化性能。研究结果发现，较高的比表面积和发达的孔隙结构，可以在材料和电解液界面提供更高的反应接触面积，以提创造更多的电荷存储的活性位点，有利于缩短电子转移的途径。通过测试该材料在0.1 M KOH电解液中的氧还原/析出催化性能，发现其半波电位可以达到0.85 V (vs. RHE)；同时，在10 mA cm⁻²的电流密度下，其过电位仅为365 mV (vs. RHE)。将该材料用作锌空电池阴极催化剂时，依然表现出较高的催化活性并拥有良好的循环稳定性，在10 mA cm^-2的大电流密度下进行1000圈(每圈充放电时间为10 min)循环稳定性测试，其充放电平台十分稳定，这表明2D-PPCN材料作为锌空电池电极材料的良好应用前景。

【图文导读】

图1 2D-PPCN材料的合成示意图

图2 样品的结构表征图

(a, b) 2D-IP (中间产物)的TEM图；

(c, d) 2D-PPCN的TEM图；

(e, f, g) 2D-PPCN的STEM图和相应的EELS mapping图；

(h) 2D-PPCN的AFM图。

图3 采用不同五氧化二磷/葡萄糖比例制备的磷掺杂碳纳米片材料STEM图对比

从左到右依次为2D-IP-2/1 (a)、2D-PPCN-2/1 (b)、2D-PPCN-2/2 (c)、2D-PPCN-2/4 (d)和2D-PPCN-2/6 (e).

图4 材料的ORR/OER性能对比

(a) 1600 rpm转数下的材料ORR活性对比；

(b) 2D-PPCN-2/6材料在400-2500rpm转数下的ORR极化曲线；

(c) 1600 rpm转数下的材料OER活性对比；

(d) 所制备的催化剂的ORR/OER电势差对比(ORR: E_{j=2 mA cm}^-2; OER: E_{j=10 mA cm}^-2)。

图5 2D-PPCN材料的锌空性能

(a) 锌空电池装置示意图；

(b) 2D-PPCN和Pt/C+Ir/C材料的充放电极化曲线对比；

(c) 2D-PPCN材料的锌空电池充放电曲线(电流密度10 mA cm^-2，每圈充放电时间为10min)。

【小结】

该论文系统介绍了以五氧化二磷作为多功能模板的二维磷掺杂多孔碳纳米片材料的新方法。作为吸附剂，这种纳米结构的磷掺杂多孔碳材料被证实具有较高的ORR/OER活性，同时，锌空电池测试也证明了该电极材料的良好应用前景。

文献链接：Two-Dimensional Phosphorus-Doped Carbon Nanosheets with Tunable Porosity for Oxygen Reactions in Zinc-Air Batteries(ACS Catal., 2018, 8, pp 2464-2472)

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