電子科大孫旭平&河南大學馬東偉&四川師大李權團隊Angewandte Chemie:蜂窩狀碳納米纖維:一種超親水的O2電催化劑為二電子氧還原反應提供超高的質量活性


【引言】

H2O2作為一種重要的基礎化學品,在現代化工、能源和環境等領域有著廣泛的應用。目前工業上生產H2O2采用間接蒽醌法。而高濃度的H2O2溶液必須經過高能耗的蒸餾,以降低運輸和儲存成本,但也伴隨著易爆風險。由H2-O2混合物直接合成H2O2也有潛在的危險性。電化學二電子(2e-)氧還原被認為是環境條件下由O2和水直接生產H2O2的有吸引力的替代方法,而且該裝置可以由可持續的可再生電力資源提供動力。然而,它受到來自四電子(4e-)氧還原的強烈競爭的挑戰。因此,設計和開發高效的氧還原反應(ORR)電催化劑,通過2e-途徑選擇性地生產H2O2是非常有必要的。貴金屬及其合金在H2O2電合成中具有很高的選擇性。然而,這種催化劑的稀缺性和高成本阻礙了它們的大規模應用。碳基材料由于其獨特的電子和可調的納米結構特征而成為有前途的ORR催化劑。已經開發了多種策略來優化納米碳的2e-?ORR性能,包括雜原子摻雜、官能團引入和缺陷工程。一種聚合物改性的疏水氣體擴散層被報道用于電化學生產雙氧水,在超疏水的三相界面上增強了O2到催化位點高效傳質過程,實現了高效的H2O2電合成??紤]到水也應該參與到H2O2的生成中,設計超親水和捕集O2的催化劑將是另一種很有前途的提高2e-?ORR的催化性能的策略,但此前還沒有探索過。

【成果簡介】

近日,在電子科技大學孫旭平教授、河南大學馬東偉副教授四川師范大學李權教授團隊帶領下,報道了使用一種超親水性O2捕集電催化劑來實現超高質量活性的雙電子氧還原電催化。蜂窩碳納米纖維(HCNFs)具有較強穩定性,其H2O2選擇性可達97.3%,遠高于固體碳納米纖維。這種催化劑實現了高達220 A g-1的超高質量活性,超過了所有其他雙電子氧還原反應催化劑。超親水多孔碳骨架具有豐富的含氧官能團,促進了電解液對催化劑的有效電子轉移和潤濕性,相互連通的空腔可以更有效地捕集氣泡。通過原位拉曼分析和密度泛函理論計算,進一步揭示了其催化機理。該成果以題為“Honeycomb Carbon Nanofibers: A Superhydrophilic O2‐Entrapping Electrocatalyst Enables Ultrahigh Mass Activity for the Two‐Electron Oxygen Reduction Reaction”發表在了Angewandte Chemie上。

【圖文導讀】

圖1 HCNFs的形貌表征

a,b)HCNFs的SEM圖像。

c,d)HCNFs的c)TEM和d)HRTEM圖像。

d)中的插入顯示了相應的SAED圖像。

e)HCNFs和f)SCNFs的接觸角。

圖2 HCNFs的電化學性能

a)HCNFs和SCNFs的ORR和H2O2產生的RRDE伏安圖。

b)計算的選擇性。

c,d)在c)0.65 V和d)0.75 V處的質量活性比較。

e)HCNFs的穩定性評估(圓盤為0.50 V,環為1.20 V)。

f)HCNFs的三合一效應促進了O2到H2O2的轉化。

圖3 HCNFs和SCNFs的原位拉曼光譜

a)HCNFs和b)SCNFs在不同電位(OCV:開路電壓)下進行Voigt反卷積的原位拉曼光譜。

圖4 DFT計算

a)AGNR和ZGNR的原子結構,其SW缺陷相對于邊緣的不同位置。深藍色和粉色的球分別表示C原子和H原子。

b)具有各種SW缺陷的AGNR和ZGNR的2e-?ORR理論活動火山圖(實線)。

【小結】

綜上所述,具有含氧官能團的HCNFs是一種高活性的三合一催化劑,用于2e-電子氧還原電催化。它們的超親水性納米空腔有助于在缺陷活性位點周圍捕集O2和水電解質,提供豐富的三相界面。在0.1 M KOH中,這樣的HCNFs表現出97.3%的高H2O2選擇性,在0.65 V vs. RHE相比,HCNFs的質量活性達到220 A g-1。原位拉曼數據證實了D1缺陷的重要作用,理論計算揭示了靠近邊緣的拓撲缺陷是主要的活性位點。這項工作不僅為團隊提供了一種有吸引力的2e-?ORR催化材料,而且將為設計具有超親水性和增強2e-?ORR活性的O2捕集的三相界面開辟了新途徑。

?文獻鏈接Honeycomb Carbon Nanofibers: A Superhydrophilic O2‐Entrapping Electrocatalyst Enables Ultrahigh Mass Activity for the Two‐Electron Oxygen Reduction Reaction(Angewandte Chemie,2021,DOI:10.1002/anie.202101880)

本文由木文韜翻譯,材料牛整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀,投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

分享到