完全暴露的碳基电极边缘-平面位点用于高效水氧化

作     者：郭静雅 刘炜 商文喆 司端惠 朱超 胡金文 辛存存 程旭升 张松林 宋俗禅 王秀云 史彦涛 Jingya Guo;Wei Liu;Wenzhe Shang;Duanhui Si;Chao Zhu;Jinwen Hu;Cuncun Xin;Xusheng Cheng;SonglinZhang;Suchan Song;Xiuyun Wang;YantaoShi

作者机构：大连理工大学化学学院精细化工国家重点实验室智能材料前沿科学中心辽宁大连116024 中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室福建福州350002 东南大学微机械系统教育部重点实验室东南大学纳皮米中心江苏南京210096 

出 版 物：《Chinese Journal of Catalysis》 (催化学报（英文）)

年 卷 期：2024年第60卷第5期

页      面：272-283页

核心收录：

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 0817[工学-化学工程与技术] 08[工学] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金(22002013,52272193) 中央高校基本科研业务费(DUT22LAB602,DUT20RC(3)021) 兴辽英才计划项目(XLYC2007038,XLYC2008032) 中国博士后科学基金(2023M740496) 

主　　题：多壁碳纳米管 边缘-平面位点 析氧反应 熔融盐 电子耦合 

摘      要：开发经济高效的析氧反应电催化剂对于推进可充电金属-空气电池和电解水技术的发展至关重要.一般来说,具有完整蜂窝结构的石墨碳基面是电化学惰性的,需要依赖缺陷或者掺杂结构诱导的电荷极化效应来提升催化活性.相比于基面,边缘位点具有特殊的局域电子态,为提升石墨碳电极的本征催化活性开辟了新的思路,然而其结构精准构筑目前仍面临极大挑战.本文以“人字形多壁碳纳米管(H-MWCNTs)作为研究切入点,利用高温熔盐介质主导的插层剥离和截断效应,实现“边缘-平面位点结构可控构筑,为实现高效电解水析氧反应(OER)提供了重要的结构基础.通过熔盐辅助热解方法可控制备了具有完全暴露的内外边缘平面的目标催化剂H-MWCNTs-MS,并研究其OER催化性能.在碱性介质中10 mA cm^(-2)电流密度所需过电位仅为236 mV,是目前报道的较好的非金属电催化剂.同时,H-MWCNTs-MS在10,50和100 mA cm^(-2)电流密度下均表现出较好的电化学稳定性.利用原位衰减全反射-表面增强红外吸收光谱(ATR-SEIRAS)技术研究了“边缘-平面位点在OER过程中的结构重构过程,与理论计算分析的高能“边缘态结果一致,并确定酮氧官能化位点为真实催化活性中心.理论计算结果表明,氧官能团修饰结构能够显著促进电荷的再分配,增强层间耦合作用,降低关键含氧中间体*OOH的形成能垒,加速OER反应动力学.此外,H-MWCNTs-MS的开放式结构极大程度提高了“边缘-平面位点的利用率,减小的纳米管壁厚促进了层间电荷迁移,也是增强OER活性的关键要素.综上,精准构筑“边缘-平面位点为开发高效石墨碳电极开辟了新的思路,通过原位谱学技术揭示边缘位点催化结构重构,能够进一步丰富研究者对于电催化协同效应的科学认识.