Energy Environ. Sci.:传统高分子辅助方法制备高效碳纳米管复合非金属基OER催化剂

cc 7年前 (2017-09-11) 5435浏览

【引言】

OER对于许多可再生能源系统是一个关键的过程。然而，OER经常因为阳极上迟滞的反应动力学而在应用领域搁浅。高活性催化剂需要降低阳极氧化反应的过电位。传统OER电催化剂是基于贵金属氧化物的，例如IrO2和RuO2。但是他们的不足以及昂贵的成本限制了自身在可再生能源技术领域的应用。因此，研究人员致力于发展低成本高效的可替代性OER催化剂，例如过渡金属/金属化合物，钙钛矿，层状氢氧化物以及碳基材料。尽管取得了一些进步，但是金属基OER催化剂通常是低电导率以及需要复杂的制备过程。进一步，为了能够持续产氧同时降低对环境的影响，降低金属的使用以及探索少量或者没有金属的新催化剂体系，基于这一观点，非金属基碳催化剂，例如碳纳米管（CNTs）以及石墨烯因其低成本，高电导率，高活性，高稳定性，制备简单以及环境友好等优势在电解水氧化领域很有潜力。

【成果简介】

近日，美国凯斯西储大学戴黎明教授和中国中山大学章自寿副教授、余丁山教授（共同通讯作者）等人在Energy & Environmental Science上发文，题为：“A general polymer-assisted strategy enables unexpected efficient metal-free oxygen-evolution catalysis on pure carbon nanotubes”。研究人员采用了一种高效，绿色并且简单的方法来制备材料。在采用带有极性含氧基团的电化学惰性的高分子通过非共价相互作用包裹纯CNTs后，得到一系列先进非金属基化合物膜催化剂，这些催化剂产率难以想象，特别是OER的高活性，能够达到商业贵金属RuO2催化剂同级水平。

【图文导读】

图1.制备流程图，结构图像，元素分析图

(a)基于高分子@CNT复合膜的柔性OER电催化剂制备流程图；

(b)无支撑PEMAc@CNTs90膜照片；

(c, d)纯CNTs和PEMAc@CNTs90的HRTEM图;插图为样品水接触角；

(e)原始的和净化的CNTs的高分辨XPS C1s图谱；

(f)净化的CNTs, PEMAc@CNTs80, PEMAc@CNTs90, 以及PEMAc@CNTs95拉曼图谱。

图2.性能表征

(a)PEMAc@CNTs90, PEMAc@CNTs80, PEMAc@CNTs95, 原始的CNTs,净化的CNTs, 以及RuO2在1 M KOH溶液中的OER的LSV标准曲线；

(b)相应的塔菲尔曲线；

(c)在1M KOH溶液中，多种非金属基电催化剂OER过电位比较；

(d)阳极电容电流与扫速的关系曲线；

(e)采用RRDE测试从PEMAc@CNTs90产生的O2；

(f)在电解过程中氧气产生量与电子数量的比较。

图3.性能测试

(a)OER of PAA@CNTs90, PVA@CNTs90, PVAc@CNTs90 和PEG@CNTs90 在1M KOH溶液中OER的LSV曲线；

(b)塔菲尔极化曲线。

图4.反应机理

(a)在碱性介质中PEMAc–CNT界面反应机理；

(b)在U = 0 V和U = 1.23 V下PEMAc@CNTs和纯的CNTs的标准自由能级图；

(c)带有中间体吸附物纯OH*或OOH*的CNTs和PEMAc@CNTs的最优几何图形；

(d)纯CNTs的OER的元素反应的标准自由能级图；

(e)在碳片上带有拓扑缺陷的PEMAc@CNTs作为活化中心的标准自由能级图。

【小结】

不同先前碳基催化剂，高分子包附CNT复合物催化剂在非金属基CNTs领域首次成功促进OER性能同时没有任何毁坏或者电荷传输到内部的纳米管结构。引人注目的是最佳的PEMAc@CNT催化剂在碱性介质中展现了低的298 mV的过电位，塔菲尔斜率为52 mV dec-1。结合理论计算与实验研究发现OER性能极好的原因是碳纳米管中固有的拓扑缺陷以及高分子链上的含氧官能团的共同作用。

文献链接：A general polymer-assisted strategy enables unexpected efficient metal-free oxygen-evolution catalysis on pure carbon nanotubes.( Energy & Environmental Science, 2017, DOI: 10.1039/c7ee01702b)

本文由材料人新能源学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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