南大侯文华研究:分级N掺杂碳纤维封装超细“两面神”Ni/Ni2P异质结——界面工程增强OER电催化性能

南大侯文华研究:分级N掺杂碳纤维封装超细“两面神”Ni/Ni2P异质结——界面工程增强OER电催化性能

▲第一作者:李小阁

通讯作者:侯文华、徐林、杨军

通讯单位:南京大学、南京师范大学、南京公众环境研究中心绿色制造产业研究所、中国科学院过程工程研究所

论文DOI:10.1016/j.apcatb.2021.120578

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全文速览

(1)开发了一种简易且可宏量制备的策略,将Janus结构的Ni/Ni2P纳米颗粒锚定在分级N掺杂碳纳米纤维中;
(2)Ni/Ni2P异质界面优化活性位点的电子结构,碳纳米纤维的分级结构缩短物质传输距离。
(3)Ni/Ni2P与碳基的强耦合作用增强材料的机械和化学稳定性,所得Ni/Ni2P@N-CNF材料在KOH电解液中表现出高效的氧析出(OER)活性和稳定性。

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背景介绍

化石能源枯竭、生态环境恶化、极端气候频发等问题极大地促进了人们对可再生能源的高度重视和大力开发。氢气由于其高能量密度被认为是最环保的能源载体。利用太阳能和风能等间歇性的可再生能源,通过电化学技术将水分解转化成易于储存和运输的氢气,是一种缓解当前环境污染和能源危机颇有前景的策略。然而,电解水阳极OER反应涉及步骤复杂的多电子转移过程,动力学较为迟缓。因此,如何降低电解水阳极的OER过电势往往被视为是提高水分解整体能源效率的技术瓶颈。目前,商业化OER催化剂依然主要使用IrO2和RuO2等贵金属材料。但是其稀缺性和高价格严重限制其大规模的商业应用。有鉴于此,科研人员投入了大量的努力,致力于开发高活性、低成本、超稳定的非贵金属OER电催化剂。

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本文亮点

本文开发了一种简易且可宏量生产的碱式碳酸盐辅助热解策略,将超细“两面神”结构的Ni/Ni2P纳米颗粒锚定在分级N掺杂碳纳米纤维中;精心构建的Ni/Ni2P异质界面和独特的分级褶皱纤维状碳基底使所得的Ni/Ni2P@N-CNF具有丰富的可接触活性位点、调制的电子结构、通畅的物质扩散路径、高效的电子传输通道和增强的结构强度;得益于上述结构和电子方面的优势,最优化的Ni/Ni2P@N-CNF材料在KOH溶液中表现出非凡的电催化OER活性和出色的长期稳定性。

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图文解析

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▲图1 Ni/Ni2P@N-CNF的合成示意图

作者通过碱式碳酸盐辅助的原位拓扑策略,将Ni/Ni2P异质结纳米颗粒原位锚定在分级褶皱N掺杂碳纳米纤维中。

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▲图2 Ni/Ni2P@N-CNF的形貌和结构表征

形貌表征发现Ni/Ni2P@N-CNF的几何构型呈现出纳米纤维-“主干”/纳米片-“分支”型的分级结构。纳米薄片随机分布在纳米纤维的表面并相互连接形成具有开放通道的网络结构。高分辨透射电镜能够观察到纳米片上分散良好且界面清晰的金属颗粒,直径约5 nm。

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▲图3 Ni/Ni2P@N-CNF的XRD、Raman、XPS和孔结构分析

结构和组成分析进一步证明在Ni/Ni2P@N-CNF样品中Ni/Ni2P异质结的存在,且样品具有高的石墨化程度、调制的电子结构和分级开放的多孔结构。

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▲图4 电化学性能表征

Ni/Ni2P@N-CNF在KOH电解质溶液中表现出优异的OER电催化活性和稳定性。将Ni/Ni2P@N-CNF与商用Pt/C催化剂配对组装成水分解电解槽,水分解电催化性能优于RuO2‖Pt/C装配的电解池,证明Ni/Ni2P@N-CNF在涉及OER的能源转换设备中具有广阔的应用前景。

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总结与展望

采用碱式碳酸盐辅助的原位拓扑策略,我们巧妙地将超细Ni/Ni2P异质纳米颗粒均匀地负载于具有多级结构的碳纳米纤维载体上。异质结的构建与多级结构的载体赋予了Ni/Ni2P@N-CNF优化的电子结构、丰富稳定的活性位点、高的电导率、低的物质扩散阻力和增强的结构稳定性。得益于材料高本征活性和动力学优势,Ni/Ni2P@N-CNF在KOH介质中表现中优异的OER催化活性和稳定性。此外,当与商业化Pt/C配对构建全解水电解池时, Ni/Ni2P@N-CNF‖Pt/C电解池的性能远远优于商业化的RuO2‖Pt/C对比样。我们相信,本工作中提出的界面工程、结构设计和碳载体复合的兼顾理念为设计开发经济高效的催化剂有一定的借鉴意义。

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参考文献

[1]A. Ray, S. Sultana, L. Paramanik, K.M. Parida, Recent advances in phase, size, and morphology-oriented nanostructured nickel phosphide for overall water splitting, J. Mater. Chem. A 8 (2020) 19196-19245
[2]B. You, N. Jiang, M. Sheng, M.W. Bhushan, Y. Sun, Hierarchically porous urchin-like Ni2P superstructures supported on nickel foam as efficient bifunctional electrocatalysts for overall water splitting, ACS Catal. 6 (2015) 714-721.
[3]X. Li, Y. Zhao, Y. Yang, S. Gao, A universal strategy for carbon–based ORR–active electrocatalyst: One porogen, two pore–creating mechanisms, three pore types, Nano Energy 62 (2019) 628-637.
[4]Z. Hu, X. Xiao, H. Jin, T. Li, M. Chen, Z. Liang, Z. Guo, J. Li, J. Wan, L. Huang, Y. Zhang, G. Feng, J. Zhou, Rapid mass production of two-dimensional metal oxides and hydroxides via the molten salts method, Nat. Commun. 8 (2017) 15630.

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作者介绍

侯文华教授

现任南京大学教授,博士生导师。主要从事层状材料的制备化学和物理化学性能研究,已发表研究论文300余篇,曾获教育部自然科学奖一等奖和科技进步二等奖各1次、国家级教学成果一等奖和二等奖各1次、宝钢教育基金全国优秀教师奖、霍英东教育基金全国优秀青年教师奖、第二届南京大学教学名师、第一届南京大学“赵世良”讲座教授。

徐林副教授

南京师范大学化学与材料科学学院副教授,硕士生导师,江苏省高校“青蓝工程”优秀青年教师。目前的主要研究方向为纳米电化学与化学电源。迄今以一作或通讯作者发表80余篇,其中包含Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Appl. Catal. B和J. Mater. Chem. A等,十余项国家发明专利已获授权。先后主持国家自然科学面上项目、国家自然科学青年基金、江苏省自然科学基金面上项目和江苏省高校自然科学基金面上项目等。担任Nanoscale和Nanoscale advances等杂志顾问编委,《物理化学学报》特刊编辑,Soft Sciences的Youth Editorial Board Member。

杨军研究员

杨军,中国科学院过程工程研究所研究员,中国科学院大学材料与光电技术学院岗位教授。2006年于新加坡国立大学获得博士学位,2006-2007年先后在波士顿大学、多伦多大学进行博士后研究,2007-2010年在新加坡生物工程与纳米技术研究院从事研究工作,2010年全职回国工作,创建能源转化与环境净化材料课题组,主要从事贵金属基异质结构纳米材料的构筑及其在能源转化和环境净化方面的应用研究。近年来在金属、半导体及纳米复合材料、电催化等研究方向上取得了一系列创新性科研成果,在Nat. Mater., Sci. Adv., Angew. Chem.和J. Am. Chem. Soc.等材料、化学领域国际权威刊物上发表学术论文200余篇,撰写《贵金属基超结构纳米材料》、《Metal-Based Composite Nanomaterials》和《Noble Metal-Based Nanocomposites: Preparation and Applications》专著三部,分别由科学出版社、Springer出版社和Wiley-VCH出版社于2012年、2014年和2019年出版。

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