中科大俞书宏&梁海伟Nano Energy : Ni-N共掺杂碳纳米纤维负载部分氧化的Ni纳米颗粒作为双功能电催化剂用于全分解水

abc940504 6年前 (2018-07-11) 7938浏览

【引言】

近年来，过渡金属氧化物、钙钛矿氧化物和层状双氢氧化物作为碱性电解质中的OER催化剂已进行了广泛研究，而过渡金属磷化物、硫化物和碳化物在酸性电解质中具有优越的HER性能。尽管如此，由于pH范围不匹配，将上述OER和HER催化剂集成于同一电解池中以实现全分解水是具有挑战性的。因此，研发用于OER和HER的高性能双功能电催化剂非常必要。
纳米结构过渡金属(化合物)/氮掺杂碳纳米材料(M/N/C)由于其低成本、高丰度、高效和稳定的催化性能，是一种前景良好的催化剂，在电化学催化领域引起了相当大的关注，但能催化全水分解的材料鲜见报道。另外，对于新型电化学催化剂体系，还需要清楚地了解材料中活性位点的结构。

【成果简介】

近日，中国科学技术大学俞书宏教授、梁海伟教授(共同通讯作者)等使用廉价的水热碳质纳米纤维、吡咯和NiCl2作为前驱体制备了Ni-N共掺杂碳纳米纤维负载部分氧化的Ni纳米颗粒(PO-Ni/Ni-N-CNFs)的纳米复合电催化剂，并在Nano Energy上发表了题为“Partially oxidized Ni nanoparticles supported on Ni-N co-doped carbon nanofibers as bifunctional electrocatalysts for overall water splitting”的研究论文。得益于有效的活性中心、介孔结构和相互连接的一维纳米纤维网络，所得纳米复合电催化剂在碱性介质中对HER和OER均表现出优异的催化活性和持久性。 此外，将PO-Ni/Ni-N-CNFs作为双功能催化剂实际应用于分解水，在1.69V的电压下达到了10mA·cm-2的电流密度。

【图文简介】

图1 PO-Ni/Ni-N-CNFs的制备过程

PO-Ni/Ni-N-CNFs的制备过程示意图。

图2 PO-Ni/Ni-N-CNFs的表征

a) PO-Ni/Ni-N-CNFs的SEM图像；

b) PO-Ni/Ni-N-CNFs的TEM图像；

c,d) PO-Ni/Ni-N-CNFs的TEM图像放大；

e) c图中区域1的HRTEM图像；

f,g) d图中区域2、3的HRTEM图像；

h) PO-Ni/Ni-N-CNFs中多孔CNF区域的HRTEM图像。

图3 PO-Ni/Ni-N-CNFs的电催化性能

a) 玻碳电极上HER的LSV曲线；

b) 玻碳电极上HER的Tafel斜率；

c) 玻碳电极上OER的LSV曲线；

d) 玻碳电极上OER的Tafel斜率；

e) PO-Ni/Ni-N-CNFs的稳定性实验。

图4 PO-Ni/Ni-N-CNFs的全分解水测试

a) 全分解水设备示意图；

b) 置于泡沫镍上的PO-Ni/Ni-N-CNFs在双电极体系中电解水的LSV曲线，内插为PO-Ni/Ni-N-CNFs@泡沫镍电极上产生氢气和氧气的照片；

c) 1.71 V下电极全分解水的长效性能测试；

d) PO-Ni/Ni-N-CNFs@泡沫镍电极在40 h长效性能测试前后的LSV曲线。

【小结】

综上所述，PO-Ni/Ni-N-CNFs复合材料的优异性能应归因于以下三个重要方面的协同控制。首先，催化剂中存有三类内在活性位点，包括暴露的PO-Ni、Ni@C和Ni-Nx，可以有效催化HER和OER。尽管已证实暴露的PO-Ni结构是主要的活性位点，但Ni@C和Ni-Nx也为PO-Ni/Ni-N-CNFs催化剂提供了部分活性。其次，PO-Ni/Ni-N-CNFs具有较高的比表面积(241.0 m2·g-1)，介孔结构和较大的总孔体积(0.21 cm3·g-1)，有利于上述活性位点的暴露以及电催化相关物种的快速传输。最后，高度石墨化的CNF网络结构不仅有利于电子快速传递，而且还提高了其催化稳定性。当用作全分解水催化剂时，PO-Ni/Ni-N-CNFs能够在碱性电解池、1.69 V电压下达到10 mA·cm-2的电流密度，同时具有出色的耐久性。理解催化剂中的主要活性位点将为开发用于电解水以及其它电催化过程的高性能双功能催化剂提供更多机遇。

文献链接： Partially oxidized Ni nanoparticles supported on Ni-N co-doped carbon nanofibers as bifunctional electrocatalysts for overall water splitting (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.06.071)

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