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实验室在双催化活性高效电解水催化剂研究方面取得新进展
2019-12-25 00:08  

于畅&邱介山&戴黎明EES:超快、低耗、高效制备双催化活性MOF,用于高效电解水!

研究背景

金属有机骨架是一类具有高表面积、高孔隙度、结构可调等优点的多孔晶体材料。 以MOF衍生的催化剂在储能和电催化方面表现出巨大的潜力,特别是在电化学水分解过程中所涉及的氧、氢析出反应(OER和HER)。 然而,这些具有特殊组成/结构和预定功能的微/纳米结构的可控合成仍然是一个巨大的挑战,特别是在大规模生产中。

虽然在制备具有可控结构的MOF衍生材料方面已经取得了许多重大进展,但其中大部分都是通过传统的电炉程序升温热解方法制备的,这受到了耗时、耗能、繁琐的多步反应过程的严重限制,以及对合成设备和操作技术要求高,成本高,难以规模化。
成果简介
有鉴于此,大连理工大学的于畅、邱介山和美国凯斯西储大学的戴黎明等研究人员提出了一种超快高效的微波热解方法,以碳纤维支撑的Co-MOF(Co-MOF/CF)为前驱体,在由随机堆叠的石墨烯粉末组成的、自行构建的热辐射微反应器中,制备高效的MOF衍生电催化剂Co-NC/CF。 该方法不仅可以显著提高催化剂的产率(达48.7 wt%),而且大大缩短了热解时间(仅需60 s)和能耗(仅为传统热解方法的0.37%)。

与传统的程序升温热解法得到的塌陷结构不同,制备的Co-NC/CF具有高碳含量和良好的纳米片阵列结构,由金属钴纳米颗粒嵌入N掺杂石墨化碳层构成。结合第一性原理计算和实验研究表明,所合成对反应中间体具有优化表面结合能力的催化剂Co-NC/CF,由于电子从钴层转移到表面碳层,从而对OER和HER具有高效的催化活性。


特别地,作者发现石墨层中N掺杂物的对位和邻接位的C原子分别是HER活性位点和OER活性位点。因此,Co-NC/CF表现出了极好的催化性能,HER和OER的过电位仅为157和246 mV,而且其长期稳定性优于大多数非贵金属电催化剂。

图文导读


图1 Co-NC/CF催化剂的合成示意图及结构表征


图2 Co-NC/CF催化剂的结构表征


图3 XPS分析


图4 OER、HER性能

图5 DFT计算

图6 水全解测试

总结与展望

综上所述,作者报道了一种新型的超高速制备高性能Co-MOF电催化剂的策略,只需将MOF前驱体在石墨烯粉末微反应器中微波热解60 s。该策略具有合成周期超短、产率高、固碳速率快、能效高等优点,与传统热解方法相比,能耗大幅度降低,MOF衍生产物产率由34.0 wt%提高到48.7 wt%。

通过这种方法得到的Co-NC/CF对OER和HER都具有高效的催化性能,并具有整体的水裂解性能。DFT计算结果表明,Co-NC/CF中发生Co向石墨碳层的电子转移,显著增强了关键反应中间体的表面结合能力,因此具有显著的催化活性。两个不同的电化学活性位点负责OER或HER过程,N掺杂物的对位和邻接位的C原子分别是HER活性位点和OER活性位点。


此外,采用双功能Co-NC/CF作为阳极和阴极进行了全面的水分解,具有良好的性能和良好的长期运行稳定性。因此,这一新发展的策略可能为设计高性能、低成本、高收率的MOF基催化剂开辟一条新的途径,用于能源相关领域和其他许多应用领域。
文献信息
题目:Rapid and Energy-Efficient Microwave Pyrolysis for High-Yield Production of Highly-Active Bifunctional Electrocatalysts for Water Splitting

DOI:10.1039/C9EE03273H

链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee03273h#!divAbstract


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