初原載于 工大材料匯????2020-05-08

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電催化劑

電催化是使電極、電解質(zhì)界面上的電荷轉(zhuǎn)移加速反應(yīng)的一種催化作用。而電催化作用覆蓋著電極反應(yīng)和催化作用兩個(gè)方面，因此電催化劑必需同時(shí)具有這兩種功能：①能導(dǎo)電和比較自由地傳遞電子；②能對(duì)底物進(jìn)行有效的催化活化作用。電催化劑能夠用于燃料電池的氧還原反應(yīng)（ORR），制備綠色氫能的析氫反應(yīng)（HER）以及金屬-空氣電池的析氧反應(yīng)（OER）等多種與能源相關(guān)的重要過(guò)程。在能源日益緊張的今天，如何提高電催化劑的穩(wěn)定性、選擇性、降低其應(yīng)用成本是一個(gè)重要問(wèn)題。

下面我們來(lái)介紹幾種新型電催化劑材料。

貴金屬氣凝膠（NMAs）

氣凝膠作為未來(lái)十大潛力新材料之一,具有低密度,高孔隙率和大內(nèi)表面積,并通過(guò)自組裝的形式將納米材料的特性擴(kuò)展到宏觀尺度,因此具有比普通固態(tài)材料優(yōu)越的熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)和化學(xué)等方面性能。而貴金屬氣凝膠不僅擁有氣凝膠高比表面積和自支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，還融合了貴金屬優(yōu)異的導(dǎo)電性和催化活性，這為獲得高活性、長(zhǎng)壽命的電催化劑提供了條件。因?yàn)橹昂铣傻腘MAs種類(lèi)有限且缺乏NMA‐基電催化劑在大pH值范圍內(nèi)性能的研究，德累斯頓工業(yè)大學(xué)Alexander Eychmüller教授和Wei Jin等人合作開(kāi)發(fā)了一種鹽凝膠化方法，通過(guò)在離子效應(yīng)的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)金屬納米粒子(NPs)和鹽離子之間的相互作用，從而提供了一種高效、可靠的策略來(lái)制造具有可控結(jié)構(gòu)的NMAs。

首先，他們通過(guò)采用強(qiáng)鹽析劑（即NH4F，即作為引發(fā)凝膠化的引發(fā)劑），制備得到的氣凝膠的組成可以擴(kuò)展到各種雙金屬和三金屬體系。通過(guò)對(duì)化學(xué)成分的精細(xì)調(diào)控，獲得了高性能的ORR催化劑，而且在電催化和電化學(xué)水分解中也表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。

其次，貴金屬氣凝膠具有獨(dú)特的電催化潛力，這歸因于氣凝膠的整體和多孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，以及貴金屬的高電導(dǎo)率和催化活性。Au–Pt和Au–Rh氣凝膠催化劑在HER和ORR電催化方面均表現(xiàn)出卓越的pH通用性（pH=0–14），超過(guò)了工業(yè)Pt/C催化劑和許多其他基于納米顆粒（NP）的催化劑。

PdMo雙金屬烯（PdMo bimetallene）

PdMo雙金屬烯(一種高度彎曲亞納米級(jí)厚度金屬納米片形式的鈀鉬合金)是堿性電解質(zhì)中ORR和OER的高效、穩(wěn)定的電催化劑，在鋅-空氣和鋰-空氣電池中展現(xiàn)出良好的電池性能。PdMo雙金屬烯的薄層結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)較大的電化學(xué)活性表面積(138.7平方米/克鈀)以及高的原子利用率；在堿性電解質(zhì)中催化ORR時(shí)，相對(duì)于可逆氫電極，PdMo雙金屬烯能在0.9V電位達(dá)到16.37 A/mgPd的電流密度。該質(zhì)量比活性分別是工業(yè)Pt/C和Pd/C催化劑的78倍和327倍，在30000次循環(huán)后幾乎沒(méi)有衰減。

蜘蛛網(wǎng)狀鈷基電催化劑

首先，開(kāi)發(fā)高效的析氧反應(yīng)（OER）電催化劑是實(shí)現(xiàn)高效水分解和儲(chǔ)能的關(guān)鍵，在可再生能源技術(shù)中具有重要的作用。動(dòng)力學(xué)OER過(guò)程中在多步反應(yīng)的每一步都有單電子轉(zhuǎn)移。OER在每一步都需要能量積累來(lái)克服高動(dòng)力學(xué)勢(shì)壘，這使得OER的動(dòng)力學(xué)非常緩慢，產(chǎn)生很大過(guò)電位。因此，一種理想電催化劑材料具有低過(guò)電位、快電子轉(zhuǎn)移速率是降低OER勢(shì)壘的關(guān)鍵。

近日，福州大學(xué)賴(lài)躍坤教授團(tuán)隊(duì)和西北大學(xué)胡軍副教授、蘇州大學(xué)以及澳門(mén)大學(xué)團(tuán)隊(duì)等合作研究出了一種通過(guò)靜電紡技術(shù)和簡(jiǎn)單煅燒的方法，制備了具有獨(dú)特“蜘蛛網(wǎng)上具有微顆粒 (MSW)”復(fù)合結(jié)構(gòu)的高性能電催化劑，同步提高活性位點(diǎn)和電極導(dǎo)電性。通過(guò)靜電紡步驟中對(duì)鈷基前驅(qū)體所加質(zhì)量比的控制，可以調(diào)控制備出不同結(jié)構(gòu)形貌的電催化劑，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)OER電催化性能的調(diào)控。

具有MSW結(jié)構(gòu)的鈷基電催化劑的OER性能和穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于商用RuO2和同系列鈷基催化劑。在1.0 M KOH溶液中，達(dá)到電流密度為10 mA·cm-2所需的過(guò)電位僅為260 mV；而且在該過(guò)電位下探究催化劑的循環(huán)穩(wěn)定性時(shí)，循環(huán) 8 h后電流密度仍維持在原始電流密度的95.3%，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

而蜘蛛網(wǎng)狀鈷基電催化劑優(yōu)異的電催化性能主要?dú)w因于：1) 這種獨(dú)特的MSW結(jié)構(gòu)具有巨大的表面積以產(chǎn)生豐富的電化學(xué)活性位點(diǎn)可以增加電極和電解液的接觸面積，從而暴露更多的活性分子金屬位點(diǎn)和加快電荷傳遞率。2）這種有序MSW超結(jié)構(gòu)中的高效率電子轉(zhuǎn)移，得益于高電子導(dǎo)電碳紙和三維細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)電碳纖維網(wǎng)。

電催化劑在能源轉(zhuǎn)換中的作用不可忽視，而有關(guān)于電催化劑材料的研究也一直在進(jìn)行中，材料人們多多努力哦！

THE END

本期問(wèn)題：

1.本文介紹了哪幾種新型電催化劑材料？

答案：貴金屬氣凝膠 PdMo雙金屬烯 蜘蛛網(wǎng)狀鈷基電催化劑

2.你還知道哪些電催化劑材料？

精選留言：?jiǎn)谓饘貾t催化劑

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ——Вперед, товарищи

參考資料：材料人

納米人

百度百科

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本文圖文作者：田坤卉

本文圖文編輯：許心雨

時(shí)任圖文審核：于世龍 劉孟茜

時(shí)任責(zé)任編輯：王雪篪

時(shí)任總編輯：李曉萌