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晶态材料研究所在双功能电催化剂方面取得重要研究进展

信息来源:晶态材料研究所  发布者:  时间:2017-01-04阅读次数:

  最近,纳米学科顶级期刊《ACS Nano》(2015年影响因子13.334)在线发表了我校晶态材料研究所教师范修军博士作为第一作者的学术论文《Atomic H-Induced Mo2C Hybrid as an Active and Stable Bifunctional Electrocatalyst》(原子态氢制备Mo2C复合材料作为高效、稳定的双功能电催化剂)。

 

 

图1. Mo2C-石墨烯纳米带复合材料电催化反应示意图

 

 

  电催化析氢反应 (hydrogen evolution reaction, HER) 是大规模获取氢能源的最主要的途径。对于析氢反应,贵金属元素铂析氢起始电位低,具有优异的电化学析氢催化活性,但其价格昂贵,难以大规模应用。同时,燃料电池作为将化学反应的能量直接转化为电能的一种电化学反应装置,既可以代替微小电池为一块手表提供电源,也可以取代大型发电站为一座城市提供电能。然而,燃料电池的商业化仍面临一些亟待解决的问题,就是制备出高活性,高稳定性的非铂氧还原反应 (oxygen reduction reaction,ORR) 电催化剂材料来替代当前常用的贵金属铂基催化剂。

 

  碳化钼是多种钼碳化合物的统称,是一种渗碳体,是由碳原子填隙式地融入到金属钼的晶格中所得到具有金属性质的间充型化合物。根据碳原子的多少不同,碳化钼形成在一定范围内可变动的非计量间隙化合物,主要包括 MoC、Mo2C 和 Mo3C等。其中,Mo2C 由于具有较高熔点和硬度、良好电催化活性和稳定性、极好抗腐烛特性等特点,被誉为“准铂催化剂”。传统制备Mo2C主要是通过高温碳化Mo金属和石墨碳,但是制备的 Mo2C 纳米晶体比表面积较小,不适合在电化催化中应用。此外,此气相合成法设备笨重复杂,要求特殊仪器,并且原料有毒、价格昂贵。所以,制备高质量、高分散的 Mo2C 纳米晶体作为 HER 和 ORR 的催化剂依然具有很大挑战。

 

  晶态材料研究所范修军博士与美国莱斯大学 James Tour 教授、Yakobson教授、北京工业大学郭霞教授、加州理工学院William A. Goddard教授和Liu Yuanyue博士等合作直接采用金属 Mo作为钼源制备了平均晶粒尺寸为7.5 nm的 Mo2C纳米晶体。以垂直石墨烯纳米带阵列(VA-GNR)为支撑,在 HF-CVD中直接金属Mo同气体碳源反应,制备了纯相、晶粒尺寸均一的 Mo2C 纳米晶体。在此过程中,石墨烯纳米带阵列依旧保持其定向笔直特性,支撑 Mo2C 纳米晶体生长,由此获得Mo2C-石墨烯纳米带的复合材料。Mo2C-石墨烯纳米带复合材料在酸碱环境下均具有优异的电化学析氢和氧还原催化活性和循环稳定性。密度泛函理论计算表明,Mo2C外层包裹数层石墨烯有利于提供更多的吸附位点和降低电化学反应的活化能。同时Mo2C-石墨烯纳米带复合结构间存在着电荷从Mo2C向石墨烯层的转移,这种协同作用会降低析氢反应的吉布斯自由能,促进电催化析氢反应的进行,进一步提升了材料的催化活性。此外,石墨烯层还提升了Mo2C纳米晶体在酸碱性溶液中的耐腐蚀性和耐氧化性,从而提高了催化剂的循环稳定性。

 

  山西大学是该论文的第一单位,晶态材料研究所范修军博士、美国莱斯大学 James M. Tour 教授和北京工业大学郭霞教授为论文的共同通讯作者。

 

 

 

图2. (a) Mo2C-石墨烯纳米带复合材料制备过程示意图;(b) 原始垂直石墨烯纳米带阵列形貌图;(c-d) Mo2C-石墨烯纳米带形貌图;垂直石墨烯纳米带阵列和Mo2C-石墨烯纳米带复合材料的 (f) Raman光谱和 (g) XRD图谱.

 

  文章链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b06089.

 

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