苏州大学Adv. Funct. Mater.：NiCo合金纳米颗粒镶嵌N掺杂碳纳米线作为高效稳定的氧催化剂

【引言】

现如今，随着传统化石能源的逐渐枯竭，清洁可再生能源如燃料电池、金属-空气电池等，越来越受到人们的广泛关注。但燃料电池和金属-空气电池缓慢的氧还原和氧析出动力学过程严重影响了其商业化应用，研究发现，合适的氧催化剂可以极大地加快电池的反应过程。贵金属如Pt、Au等催化性能十分优异，但价格昂贵、双功能活性差，难以大规模实际应用。因此，成本低廉、具有双功能活性的非贵金属催化剂成为了目前的研究热点。非贵金属催化剂中，合金催化剂电化学性能优异，尤其是NiCo合金，能提供丰富的化合价态的变化，有利于电池的氧还原和氧析出过程。此外，将合金催化剂与异原子掺杂的碳材料相复合，一方面，提高了材料的导电性，另一方面，进一步增强了电池的氧电极催化性能。

【工作介绍】

近日，苏州大学杨瑞枝教授、田景华副教授团队在Adv. Funct. Mater.上发表最新研究成果“NiCo Alloy Nanoparticles Decorated on N-Doped Carbon Nanofibers as Highly Active and Durable Oxygen Electrocatalyst”（DOI: 10.1002/adfm.201705094）。在该文中，研究者通过静电纺丝技术和后煅烧技术相结合，制备出镶嵌有NiCo合金纳米颗粒的N掺杂碳纳米线，这种复合材料的制备过程简单而高效。研究发现，负载了NiCo合金纳米颗粒后，材料的氧还原（ORR）和氧析出（OER）电催化性能明显增强。作者研究了三种负载不同含量的NiCo合金纳米颗粒的复合材料，发现负载约39%的样品（NiCo@N-C 2）表现出最佳的ORR和OER电催化性能和稳定性，其性能甚至可以和商业化的Pt/C和RuO₂相媲美。该材料的设计理念和合成方法为低成本高效率的氧气催化剂的制备提供了新的思路和启发。该研究的作者依次为付月，于海洋，蒋聪，张天珩，湛润，李晓伟，李剑锋，田景华和杨瑞枝（通讯作者）。

【图文导读】

图1 几种不同材料的SEM图、XRD和Raman图

1. N-C: 不加金属盐；
2. NiCo@N-C 1: 0.25 mmol Ni²⁺+ 0.5 mmol Co²⁺；
3. NiCo@N-C 2: 0.5 mmol Ni²⁺+ 1 mmol Co²⁺；
4. NiCo@N-C 3: 1 mmol Ni²⁺+ 2 mmol Co²⁺；
5. 四种样品的XRD图；
6. N-C 和 NiCo@N-C 2的Raman图。

图2 NiCo@N-C 2的HRTEM图和元素mapping

a和b. NiCo@N-C 2的HRTEM图；
c. NiCo@N-C 2中各元素的mapping。

图3 几种不同材料的ORR和OER电化学性能对比

1. 四种材料和Pt/C的ORR性能对比（1600 rpm，10 mV/s，0.1 M KOH）；
2. 四种材料和Pt/C的ORR过程的Tafel曲线；
3. 四种材料和RuO₂的OER性能对比（1600 rpm，10 mV/s，0.1 M KOH）；
4. 四种材料和RuO₂的OER过程的Tafel曲线。

 图4 N-C和NiCo@N-C 2的XPS对比

1. N-C的C 1s XPS图；
2. N-C的N 1s XPS图；
3. NiCo@N-C 2的C 1s XPS图；
4. NiCo@N-C 2的N 1s XPS图。

图5 NiCo@N-C 2中各元素在OER稳定性测试前后的XPS对比

1. NiCo@N-C 2中，Co 2p的XPS在OER稳定性测试前后对比；
2. NiCo@N-C 2中，Ni 2p的XPS在OER稳定性测试前后对比；
3. NiCo@N-C 2中，O 1s的XPS在OER稳定性测试前后对比；
4. NiCo@N-C 2中，C 1s的XPS在OER稳定性测试前后对比。

【小结】

研究者利用静电纺丝技术和煅烧方法相结合，两步法制备出镶嵌有NiCo合金纳米颗粒的N掺杂的碳纳米线来作为燃料电池和金属-空气电池的高效氧催化剂，并研究了不同的合金纳米颗粒负载量对复合材料电化学性能的影响。研究发现，NiCo@N-C 2（含有约39%的合金）表现出最为优异的ORR和OER电催化活性以及电化学稳定性，甚至可以与Pt/C和RuO₂相媲美。一系列测试表明，NiCo合金纳米颗粒与N掺杂碳纳米线之间的协同作用，包括催化剂本身阻抗以及电荷转移阻抗的降低，C=C的增多，复合材料中石墨氮和吡啶氮比值的升高，以及OER过程中Ni/Co氢氧化物的形成等等，导致了最终NiCo@N-C 2表现出最佳的电催化性能。这项工作，为高效率、低成本、高产量的氧催化剂的制备，开辟了一条简单、新颖的道路，在燃料电池、金属-空气电池上都具有很好的应用前景。

文献链接：NiCo Alloy Nanoparticles Decorated on N-Doped Carbon Nanofibers as Highly Active and Durable Oxygen Electrocatalyst(Adv. Funct. Mater., 2018, doi: 10.1002/adfm.201705094).

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部大家庭。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及内容合作可加编辑微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我们会邀请各位老师加入专家群。

材料测试、数据分析，上测试谷！