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    上海交大莊小東教授與蘇躍增教授合作《Adv. Mater.》:基于離子聚合物納米片的碳片/納米合金異質結可控制備
    2020-10-17  來源:高分子科技

      異質結構可以通過調節不同組分的電子性質,在界面處形成獨特的界面電荷態從而促進其催化活性,在能量轉換領域顯示出巨大的潛力。然而,對于高活性異質結構的可控制備(如成分調整、形貌控制以及活性位點分布等)依舊存在挑戰。


      電解水產氫(HER)作為“最理想的工業制氫方法”,其理想的催化劑多以鉑(Pt)基材料為主,然而,稀缺性和高價格極大地限制了它的實際應用。許多非鉑基催化劑,如鎳基催化劑、鉬基催化劑、鈷基催化劑、雜原子摻雜碳催化劑等,雖已被大量研究,但與鉑基催化劑相比,性能差距依然明顯。因此,開發性能優越的非鉑基催化劑越顯重要。目前,科學家已發現在釕顆粒晶格中摻入適量的異質金屬(如鈷、鎳等)形成合金,可以有效改變釕基催化劑的電化學特性,從而顯著提高其催化活性和穩定性。然而,由于多金屬成核和還原過程的難以控制,制備具有尺寸可控、性質穩定的釕納米合金材料仍具有很大的挑戰。


      最近,上海交通大學莊小東教授課題組與蘇躍增教授團隊合作,利用模板法制備可控離子聚合物納米片,以含陽離子聚酰亞胺為前驅體,通過簡便的離子交換法,將雙金屬(MoO42?/Ru[CN]64?)源成功地引入前驅體中,經高溫熱解形成嵌有RuMo合金納米顆粒的二維多孔氮摻雜碳納米片(2DPC-RuMo;圖1)。所制備的2DPC-RuMo呈現規整的六邊形形貌(2.5 μm)、均勻的RuMo合金顆粒分散和高的比表面積(356 m2 g?1)(圖2)。作為HER催化劑,在堿性介質中,2DPC-RuMo表現出優異的電催化性能,電流密度達到10 mA cm-2時的過電位僅為18 mV,Tafel斜率為25 mV dec-1,轉化頻率(TOF)值高達3.57 H2 s-1,其性質優于文獻報道的其它釕基碳催化劑(圖3)。進一步DFT計算表明,釕鉬合金和氮摻雜碳的新型異質結構可以有效促進水的分解,降低催化劑對氫的吸附能,利于氫在催化劑表面吸脫附,從而提高HER性能(圖4)。這項工作為可控制備金屬(合金)基異質結構提供了一種有效可行的方法,同時為電催化析氫反應提供了一種優異的催化劑。


    圖1金屬基二維多孔碳納米片(2DPC-M)的制備工藝示意圖:i)單體PMDA和Vio-NH2?2HCl沉積并在MgAl-LDH模板表面原位聚合,形成IPI-X@LDH(X=Cl);ii)與含有金屬的陰離子進行離子交換,形成IPI-X@LDH(X=[MoO4],0.5[Ru(CN)6]);iii)IPI-X@LDH碳化形成2DPC-M@LDO;iv)蝕刻LDO模板生成2DPC-M(M=Mo、Ru和RuMo)


    圖2 a) 2DPC納米片的SEM圖,標尺:5 mm;b) 2DPC-RuMo納米片的TEM圖,標尺:500 nm;c) 2DPC-RuMo納米片HRTEM圖和粒徑尺寸分布,標尺:10 nm;d) 2DPC-RuMo納米片HAADF-STEM-EDS圖,標尺:2 nm;e) RuMo納米顆粒的HRTEM圖,標尺:1 nm;f) 更大放大倍數的HRTEM圖, 標尺:0.5 nm; g) 具有明顯錯位晶界的HRTEM圖,標尺:0.5 nm。


    圖3 2DPC-RuMo的HER性能測試。a) LSV曲線;b) Tafel斜率;c) 與文獻性能對比;d) 電容特性;e) TOF值對比;f) 循環穩定性和恒壓穩定性。


    圖4堿性介質中對HER活性的密度泛函理論計算。


      目前該工作以“A Novel Heterostructure Based on RuMo Nanoalloys and N-doped Carbon as an Efficient Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction”為題在線發表在《先進材料》(Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202005433)上。該論文的第一作者為上海交通大學2017級碩士研究生涂柯俊,通訊作者為莊小東教授蘇躍增教授楊重慶博士。該項工作得到了基金委優秀青年基金資助,獲得了科技部國家重點研發計劃、自然科學基金面上項目以及上海市科委的資助。


      原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202005433

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