快速自放热结合化学脱合金技术制备多孔纳米网格状Cu掺杂Co基材料的碱性析氧性能研究
多孔Co-Al金属间化合物不仅具有低密度、大比表面积和高温下优异的抗氧化性等优点,而且在催化应用方面也具有巨大的潜力。这是由于准晶结构具有独特的原子排列,这种独特的结构可以在催化中产生特殊的激活作用。纳米结构材料由于具有高比表面积和尺寸效应,在催化领域得到了广泛的应用。这些特性不仅提供了充足的表面活性位点,而且还增强了对反应物的吸附和中间体和最终产物的脱附。多孔Co-Al金属间化合物可通过较多策略获得,如造孔剂、自蔓延高温合成、热等静压和热爆反应等。在整个坯料压制过程中突然发生热爆炸(TE)过程的燃烧反应,类似于“爆炸”现象,释放大量热量,使样品整体温度急剧上升到最高温度,释放的热量会导致试样剧烈膨胀,并具有较高的孔隙率。
开发经济高效的析氧反应(OER)催化剂对于提高绿色水分解工艺的效率至关重要,而绿色水分解工艺是可再生能源生产的关键。Raney金属基催化剂是通过浓碱溶液(NaOH、KOH)将具有催化活性的过渡金属(Ni、Co、Fe、Cu)合金中腐蚀活性物质(Al),得到微纳米孔结构。微米孔金属电催化剂由于其单一孔结构,其性能受到限制。复合分级多孔结构有利于增加催化剂与反应物之间的接触面积,从而有助于增加活性位点的数量,加速传质。因此,微纳米多孔金属在电催化方面具有很大的应用潜力。为了提高催化剂的OER性能,必须有效地改变材料的微观结构和形态,以增加表面积并暴露额外的活性位点。此外,将杂原子掺入原始材料可以改变其结构或提高其导电性。通过引入Cu元素,可以通过调整Co中心的电子结构来加快反应动力学。无活性的Cu被活化成富电子活性位点,降低了对反应物、中间体和产物的吸附能,从而提高了OER活性。
本文将掺杂异质元素和暴露更多具有层次结构的活性位点策略相结合,采用一步自放热工艺合成多孔Co-Al金属间化合物,辅以化学脱合金化合成了微米多孔纳米网格状Cu掺杂Co基材料(D-CAC)。表征结果显示,相比于未掺杂产物(D-CA),比D-CAC具有均匀纳米结构和高比表面积。D-CAC在碱性条件下表现出优异的OER性能,相比D-CA材料,过电位降低了80 mV,具备低的Tafel斜率,为52.7 mV dec-1。相关研究结果以题为“ Porous Nanogrid-Like Cu-Doped Co-Based Materials via Rapid Self-Exothermic and Chemical Dealloying as Efficient Catalysts for Oxygen Evolution”发表在JOM上。
图1. 自放热反应及化学脱合金法制备宏观/微观结构D-CAC制备路线图
图2. 脱合金后FESEM 图像 (a, b) D-CA,(c, d) D-CAC
图3. D-CA和D-CAC的XPS谱图: (a) 全谱, (b) D-CA高分辨Co 2p谱图,(c) D-CAC高分辨Co2p谱图,(d) D-CAC高分辨Cu 2p谱图
图4. D-CA和D-CAC: (a) LSV曲线, (b) Tafel测试结果, (c) EIS结果, (d)拟合电路图.
题目: Porous Nanogrid-Like Cu-Doped Co-Based Materials via Rapid Self-Exothermic and Chemical Dealloying as Efficient Catalysts for Oxygen Evolution
作者: 郭玮佳,徐雪薇,徐成义,Farid Akhtar,蔡小平, 冯培忠
链接: https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-024-07081-5
DOI: 10.1007/s11837-024-07081-5
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