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楼雄文教授团队,最新AM!

财经快报 | 2022/08/22 17:03:02

成果展示

开发高效、低成本的析氧反应(OER)电催化剂对于清洁能源和燃料转化是迫切需要。基于此, 新加坡南洋理工大学楼雄文教授和内蒙古大学谷晓俊教授(共同通讯作者)等人 报道了通过热解设计的CdS-NiSx/聚丙烯腈复合纤维,轻松制备了Ni单原子嵌入中空S/N掺杂碳大孔纤维(Ni SAs@S/N-CMF),并用作OER的有效催化剂。

具体而言,作者利用CdS固体纳米颗粒(NPs)作为载体,将NiS x 物种沉积在CdS NPs的表面上获得了CdS-NiS x NPs;接着,将CdS-NiSx NPs与聚丙烯腈(PAN)通过静电纺丝技术产生CdS-NiS x /PAN复合纤维(即CdS-NiS x @PAN),在经过碳化处理后得到Ni SAs@S/N-CMF 催化剂。

得益于大量暴露的单Ni原子和中空大孔结构,所制备的Ni SAs@S/N-CMF电催化剂具有优异的OER性能,在电流密度为10 mA cm -2 下过电位为285 mV,Tafel斜率为50.8 mV dec -1 ,并且具有良好的稳定性。该工作可能为设计和构建有效的SACs以应对各种具有挑战性的反应提供一定的启发。

背景介绍

电化学析氧反应(OER)是一种重要反应,通常是许多电化学装置中的一个限速步骤。由于高能垒,多步质子耦合电子转移过程阻碍了其动力学,导致在所需电流密度下具有高过电位。目前,Ru/Ir基氧化物是OER的基准电催化剂,但其成本高且稳定性差。因此,迫切需要开发高效、低成本的过渡金属基电催化剂作为Ru/Ir基电催化剂的有希望的替代品。单原子催化剂(SACs)具有最大化的原子利用效率、均匀的金属活性位点和可调的配位环境,是OER的有希望的候选者。然而,SACs仍存在原子负载低、暴露位点有限和分子可及性较差等问题。

此外,这些金属位点大多稳定并被困在狭窄空间或难以接近的区域,通常不参与催化反应,从而导致OER性能不理想。为了解决这些问题,利用中空纳米结构通过显着提高表面积体积比和最大限度地暴露金属位点来极大地提高催化性能。因此,为了最大限度地提高SACs活性,非常需要探索针对先进架构的新策略,但仍然是一个挑战。

图文解读

合成与表征

通过简便的水热法在制备的CdS NPs表面沉积NiS x 后,得到CdS-NiS x NPs,其保持了CdS的原始形态,具有相似的均匀尺寸分布。其EDX光谱显示,Ni原子的原子百分比约为0.63%。通过静电纺丝工艺将CdS-NiS x NPs与PAN紧密组装,形成分层实心纤维(CdS-NiS x @PAN)。TEM图像证实CdS-NiS x NPs很好地分散在整个纤维中。在950 ℃的氮气氛下碳化处理后,固体CdS-NiS x @PAN纤维转变为中空大孔纤维,并进一步原子化为单个Ni原子,获得具有中空结构的Ni SAs@S/N-CMF催化剂。
图1. CdS-NiS x @PAN纤维的形貌表征
图2. Ni SAs@S/N-CMF的形貌表征
图3. 在不同退火条件下制得产品结构
图4. Ni NPs@S/N-CMF和Ni SAs@S/N-CMF的表征
催化性能
在1.0 M KOH溶液中,研究了Ni SAs@S/N-CMF的电化学OER性能,商用RuO 2 、无Ni S/N-CMF和Ni NPs@S/N-CMF为对照组。其中,Ni SAs@S/N-CMF催化剂在电流密度为10 mA cm -2 下过电位(η 10 )为285 mV,优于Ni NPs@S/N-CMF(391 mV)、Ni-free S/N-CMF(471 mV)和RuO 2 (366 mV)。同时,Ni SAs@S/N-CMF催化剂的Tafel斜率为50.8 mV dec -1 ,优于Ni NPs@S/N-CMF(81.9 mV dec -1 )、无Ni S/NCMF(414 mV dec -1 )和RuO 2 (100.9 mV dec -1 )。
此外,Ni SAs@S/N-CMF催化剂在300 mV的过电位下获得了0.16 s -1 的高转换频率(TOF)值,远高于Ni NPs@S/N-CMF(0.006 s -1 ),证明了Ni原子在催化过程中的高利用率。Ni SAs@S/N-CMF催化剂具有更多的表面暴露活性位点,双层电容(C dl )值为3.04 mF cm -2 ,约为Ni NPs@S/N-CMF的11.7倍(0.26 mF cm -2 )。Ni SAs@S/N-CMF具有长期OER稳定性,在10 mA cm -2 下进行60 h测试后,电位增加值可忽略不计。
图5. Ni SAs@S/N-CMF催化性能

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