石墨烯碳基材料開發(fā)成高活性電催化劑研究進(jìn)展

石墨烯碳基材料開發(fā)成高活性電催化劑研究進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心雙聘研究員，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授陳乾旺課題組以貴金屬銥摻雜的金屬有機(jī)框架材料作為前驅(qū)體，一步煅燒制備了氮摻雜的類石墨烯層包裹銥鈷合金核殼結(jié)構(gòu)材料，在酸性電解質(zhì)析氫反應(yīng)中表現(xiàn)出高活性和高穩(wěn)定性。

近年來，電解水制氫受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，尋找廉價(jià)高效的非鉑電催化劑成為時(shí)下研究熱點(diǎn)。作為“明星材料”的石墨烯具有導(dǎo)電性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，科研人員致力將其開發(fā)為高活性酸性析氫電催化劑。但很多碳基催化劑的活性與貴金屬相比還有很大的差距，如何將石墨烯碳基材料開發(fā)成高活性電催化劑是一個(gè)熱點(diǎn)課題。


銥鈷合金可向表面活性位點(diǎn)轉(zhuǎn)移電子。銥鈷合金表面包覆的氮摻雜石墨烯層類似于“鎧甲”，有利于防止合金內(nèi)核被酸腐蝕。作為酸性析氫電催化劑（其中銥的含量?jī)H為1.56wt.%），其塔菲爾斜率僅為23mV/dec，電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)其過電位僅為24mV，顯示出與商用的20%Pt/C電催化劑可比的電催化析氫性能。密度泛函理論模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，氮摻雜原子近鄰的碳原子是電催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)，銥的引入促進(jìn)了電子向類石墨烯層表面遷移，降低了活性位點(diǎn)的氫吸附自由能。材料的表面結(jié)構(gòu)表征和元素成分成像分析等揭示了氮元素?fù)诫s量的增加以及銥元素在合金內(nèi)核表面的富集有利于催化劑性能的提升。該研究為尋找更為廉價(jià)、高效的電催化析氫催化劑提供了新思路。


相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上，博士研究生江鵬、陳繼堂、王長(zhǎng)來為論文共同第一作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和中國(guó)科大青年創(chuàng)新基金等的資助。

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