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上海交大庄小东教授与苏跃增教授合作《Adv. Mater.》:基于离子聚合物纳米片的碳片/纳米合金异质结可控制备
2020-10-17  来源:高分子科技

  异质结构可以通过调节不同组分的电子性质,在界面处形成独特的界面电荷态从而促进其催化活性,在能量转换领域显示出巨大的潜力。然而,对于高活性异质结构的可控制备(如成分调整、形貌控制以及活性位点分布等)依旧存在挑战。


  电解水产氢(HER)作为“最理想的工业制氢方法”,其理想的催化剂多以铂(Pt)基材料为主,然而,稀缺性和高价格极大地限制了它的实际应用。许多非铂基催化剂,如镍基催化剂、钼基催化剂、钴基催化剂、杂原子掺杂碳催化剂等,虽已被大量研究,但与铂基催化剂相比,性能差距依然明显。因此,开发性能优越的非铂基催化剂越显重要。目前,科学家已发现在钌颗粒晶格中掺入适量的异质金属(如钴、镍等)形成合金,可以有效改变钌基催化剂的电化学特性,从而显著提高其催化活性和稳定性。然而,由于多金属成核和还原过程的难以控制,制备具有尺寸可控、性质稳定的钌纳米合金材料仍具有很大的挑战。


  最近,上海交通大学庄小东教授课题组与苏跃增教授团队合作,利用模板法制备可控离子聚合物纳米片,以含阳离子聚酰亚胺为前驱体,通过简便的离子交换法,将双金属(MoO42?/Ru[CN]64?)源成功地引入前驱体中,经高温热解形成嵌有RuMo合金纳米颗粒的二维多孔氮掺杂碳纳米片(2DPC-RuMo;图1)。所制备的2DPC-RuMo呈现规整的六边形形貌(2.5 μm)、均匀的RuMo合金颗粒分散和高的比表面积(356 m2 g?1)(图2)。作为HER催化剂,在碱性介质中,2DPC-RuMo表现出优异的电催化性能,电流密度达到10 mA cm-2时的过电位仅为18 mV,Tafel斜率为25 mV dec-1,转化频率(TOF)值高达3.57 H2 s-1,其性质优于文献报道的其它钌基碳催化剂(图3)。进一步DFT计算表明,钌钼合金和氮掺杂碳的新型异质结构可以有效促进水的分解,降低催化剂对氢的吸附能,利于氢在催化剂表面吸脱附,从而提高HER性能(图4)。这项工作为可控制备金属(合金)基异质结构提供了一种有效可行的方法,同时为电催化析氢反应提供了一种优异的催化剂。


图1金属基二维多孔碳纳米片(2DPC-M)的制备工艺示意图:i)单体PMDA和Vio-NH2?2HCl沉积并在MgAl-LDH模板表面原位聚合,形成IPI-X@LDH(X=Cl);ii)与含有金属的阴离子进行离子交换,形成IPI-X@LDH(X=[MoO4],0.5[Ru(CN)6]);iii)IPI-X@LDH碳化形成2DPC-M@LDO;iv)蚀刻LDO模板生成2DPC-M(M=Mo、Ru和RuMo)


图2 a) 2DPC纳米片的SEM图,标尺:5 mm;b) 2DPC-RuMo纳米片的TEM图,标尺:500 nm;c) 2DPC-RuMo纳米片HRTEM图和粒径尺寸分布,标尺:10 nm;d) 2DPC-RuMo纳米片HAADF-STEM-EDS图,标尺:2 nm;e) RuMo纳米颗粒的HRTEM图,标尺:1 nm;f) 更大放大倍数的HRTEM图, 标尺:0.5 nm; g) 具有明显错位晶界的HRTEM图,标尺:0.5 nm。


图3 2DPC-RuMo的HER性能测试。a) LSV曲线;b) Tafel斜率;c) 与文献性能对比;d) 电容特性;e) TOF值对比;f) 循环稳定性和恒压稳定性。


图4碱性介质中对HER活性的密度泛函理论计算。


  目前该工作以“A Novel Heterostructure Based on RuMo Nanoalloys and N-doped Carbon as an Efficient Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction”为题在线发表在《先进材料》(Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202005433)上。该论文的第一作者为上海交通大学2017级硕士研究生涂柯俊,通讯作者为庄小东教授苏跃增教授杨重庆博士。该项工作得到了基金委优秀青年基金资助,获得了科技部国家重点研发计划、自然科学基金面上项目以及上海市科委的资助。


  原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202005433

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