Energy Environ. Sci. 用作析氧反应和水裂解的单片无金属电催化剂

【引言】

在不同的能量储存和能量转换体系中，析氧反应在电催化裂解水中是一个非常重要的半反应。然而，在正极中由于慢的动力学常数而带来的析氧反应的过电势的损失，这就要求合适的电催化剂来降低这个损失如在负极析氢反应要求外加电压。由于催化剂的活性层容易脱落，且催化剂所在的位置有大量的氧气析出，这导致催化剂的效率和寿命降低。因此，电催化剂的持久耐用性应该通过发展无金属自给的电催化剂而得到提高。

【成果简介】

近日，中山大学化学与化学工程学院的童叶翔教授课题组合成了一种三维单片无金属的N掺杂多孔炭布的电催化剂，由于表面积的增加以及掺N作用的结果，自给型催化剂能够有效的催化析氧反应，也第一次以相当低的过电势被用作阳极用在碱性电解槽中。

【图文导读】

方案：合成原理图

方案1.单片3D NiD-PCC(3D self-supporting metal-free monolithic porous carbon cloth doped with N-heteroatom)的合成原理示意图

图1.合成样品的形貌

(a)BCC的SEM图；

(b)、(c)NiD-PCC的SEM图；

(d) TCC的SEM图；

(e) NiD-PCC的TEM图,内部插图为NiD-PCC的标定的亮黄色标记区域的剥落部分的HRTEM图;

(f)左图中黄色区域的放大的TEM图。

图2.样品的组成和结构

(a)N的等温吸附曲线；

(b)孔径大小分布；

(c)BCC和NiD-PCC样品的拉曼光谱；

(d)BCC,NiC和NiD-PCC样品的Ni的2p轨道的XPS图；

(e)顶部：BCC和NiD-PCC样品的正常的C的1s轨道的XPS图；底部：NiD-PCC样品的C的1s轨道的光谱；

(f)BCC和NiD-PCC样品的N的1s轨道的XPS图谱。

图3.催化剂在析氧反应中的催化活性

(a)扫描速率为10mV/s时在1M NaOH溶液中的LSV曲线点；

(b)塔菲尔曲线点；

(c)催化剂的EIS曲线点，内部插图为NiC和NiD-PCC催化剂的放大图；

(d)NiD-PCC在电流密度为10mA cm^-2时间为28h时的稳定性测试，内部插图为达到600个循环时的CV稳定性；

(e) NiD-PCC电催化剂在进行28h稳定性测试之前的LSV曲线点；

(f) NiD-PCC电催化剂在进行28h稳定性测试之后的Nyquist曲线点；

(e)中内部插图为NiD-PCC电催化剂在进行28h稳定性测试之后的SEM图。

图4.系列样品碱性电解槽的水完全裂解的活性

BCC//BCC、NiC//NiC和NiC//NiD-PCC碱性电解槽的水完全裂解的活性。

(a) 扫描速率为10mV/s时在1M NaOH溶液中的LSV曲线点；

(b)照片显示了在NiC//NiD-PCC电解槽电极上有氢气和氧气气泡产生；

(c) BCC//BCC、NiC//NiC和NiC//NiD-PCC电池在电流密度为10mA cm^-2时间为28h时的计时电势测量图。

图5.样品的电化学析氧特性

NiO包覆BCC和NiD-PCC电催化剂的电化学析氧特性。

(a)NiD-PCC/NiO电催化剂的SEM图；

(b)BCC/NiO和NiD-PCC/NiO电催化剂在电流密度为20mA cm^-2在1M KOH溶液中的LSV曲线点。

【展望】

这种方法在发展高性能电极材料上为自给型材料和有效的基底的合成提供了一种新的思路，这不仅体现在电催化剂上，也体现在其他能量储存和转换系统中。

童叶翔教授简介：童叶翔，男，中山大学化学与工程学院教授、博士生导师，中国化学会理事，中国电化学会材料电化学分会委员，广东省稀土协会理事，被评为中山大学教学名师，广东省南粤教坛新秀，国家理科基地建设实施先进工作者等，目前主要研究方向为纳米材料的电化学合成及其性能表征，主要包括过渡金属氧化物、半导体材料、高熵合金、光催化和电催化材料、光电材料、超级电容器等。

原文链接：A monolithic metal-free electrocatalyst for oxygen evolution reaction and overall water

splitting(Energy Environ.Sci.，2016，DOI:10.1039/c6ee01930g)

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