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碳基催化劑電催化析氫研究取得新進展

時間:2019-10-12 18:06:47 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  近年來電解水制氫受到廣泛關注,尋找能替代貴金屬的廉價高效的電催化劑成為當下研究熱點。石墨烯由于具有良好的導電性,優異的化學穩定性以及易于化學修飾等優點,引起了科研人員的廣泛關注,人們致力于將其發展成為高活性的電解水制氫催化劑。已有研究結果表明通過氮等雜原子摻雜可以調控雜原子近鄰碳原子的電子結構,增強該碳原子活性位點與反應中間體的吸附作用,進而提高石墨烯等碳基材料的電催化析氫性能,然而傳統的吡啶、吡咯和石墨型氮摻雜模式對于石墨烯等碳基催化劑的性能調控,效果不佳,與報道的高活性的金屬基催化劑相比仍還有很大的差距。本工作通過密度泛函理論計算(DFT)揭示在一個石墨烯晶格六元環內進行雙石墨型氮摻雜可以顯著改變材料中碳原子(與兩個氮原子結合的碳原子)的電子結構,降低碳活性位點的ΔGH*值至非常接近于0 eV, 有望進一步提高碳基材料的析氫催化活性。本研究采用金屬有機框架化合物Cu-BTC作為前驅體,通過煅燒和溶劑熱處理得到類石墨烯粒子聚集體,經CV循環后,其酸性電催化析氫性能逐漸提高, 達到最優值時,在10 mA/cm2電流密度下其過電位僅為57mV, 塔菲爾斜率為44.6 mV/dec , 顯示出與已報道的高活性金屬基催化劑和Pt/C催化劑可比的電催化析氫性能。紅外光譜、X射線光電子能譜、X射線近邊吸收精細結構和固態核磁共振的表征結果表明該碳基材料形成了雙石墨型氮摻雜于一個石墨烯晶格六元環的新結構,與兩個相鄰的石墨型氮鍵合的碳原子是催化活性位點,該鍵合方式有利于增強H在C活性位點上的吸附,從而提高催化活性。


  研究成果以“Dual Graphitic-N Doping in a Six-Membered C-Ring of Graphene-Analogous Particles Enables an Efficient Electrocatalyst for the Hydrogen Evolution Reaction”為題在線發表在國際化學期刊Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201908210。


  中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學與材料科學學院材料系陳乾旺教授為論文通訊作者,中國科學技術大學博士研究生林志宇和博士后楊陽為論文共同第一作者。合肥同步輻射國家實驗室、上海同步輻射光源和合肥穩態強磁場中心對于實驗結果的表征分析提供了重要的幫助,該研究得到了國家自然科學基金等的資助。


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  雙石墨型氮摻雜于一個石墨烯晶格六元環結構的電催化析氫反應示意圖及吉布斯自由能計算結果 [圖中黑色小球代表碳原子,藍色小球代表氮原子,與兩個石墨型氮原子相連的碳原子是電催化析氫活性位點,相關吉布斯自由能計算結果給出雙石墨型氮摻雜于一個石墨烯晶格六元環的結構(2-Graphitic N)的ΔGH*為0.01eV.]


  文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201908210


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