石墨烯碳基材料開發(fā)成高活性電催化劑研究進展

石墨烯碳基材料開發(fā)成高活性電催化劑研究進展

近日，中國科學院強磁場科學中心雙聘研究員，中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、化學與材料科學學院教授陳乾旺課題組以貴金屬銥摻雜的金屬有機框架材料作為前驅(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，電解水制氫受到學術(shù)界廣泛關(guān)注，尋找廉價高效的非鉑電催化劑成為時下研究熱點。作為“明星材料”的石墨烯具有導電性好、耐腐蝕等優(yōu)點，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熱點課題。


銥鈷合金可向表面活性位點轉(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（其中銥的含量僅為1.56wt.%），其塔菲爾斜率僅為23mV/dec，電流密度達到10mA/cm2時其過電位僅為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算發(fā)現(xiàn)，氮摻雜原子近鄰的碳原子是電催化反應的活性位點，銥的引入促進了電子向類石墨烯層表面遷移，降低了活性位點的氫吸附自由能。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摻雜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、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《先進材料》上，博士研究生江鵬、陳繼堂、王長來為論文共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金委、中科院和中國科大青年創(chuàng)新基金等的資助。

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