Granatæble-lignende nanokompositter:Den nye allé af grafen i vandopdeling

Den truende fossile energikrise og alvorlige miljø- og klimaspørgsmål kræver hurtigst muligt bæredygtige energisystemer og næste generations energilagringsteknologier. I stedet for en traditionel "kulstofcyklus" baseret på fossil energi, "brintcyklussen" er dukket op og kan være et lovende alternativ. Med en vandopdelingsanordning, H2 kan genereres fra vand ved hjælp af elektricitet eller solenergi, og energi transformerer mellem elektrisk/solenergi og kemisk energi i genopladelige batterier. Imidlertid, det centrale spørgsmål om vandopdeling, oxygenudviklingsreaktion (OER) (4OH ^- -> 2H ₂ O + O ₂ + 4e ^- , i bunden), er en kinetisk træg halvreaktion, hvilket kræver et højt overpotentiale og hindrer udviklingen af ​​vandspaltning.

For nylig, en forskergruppe fra Kina, ledet af prof. Qiang Zhang på Tsinghua University, har udviklet en ny komposit af grafen/metalhydroxid med overlegen iltudviklingsaktivitet. Dette værk er offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer .

På den ene side, grafen er et materiale, der udviser ultrahøj elektrisk ledningsevne, højt overfladeareal, og afstembare 3D -strukturer, hvilket er fremragende til heterogen elektrokatalyse. Imidlertid, den indre aktivitet af grafen er uønsket. På den anden side, NiFe -lagdelte dobbelthydroxider (NiFe LDH'er), med bemærkelsesværdig katalytisk aktivitet, høj stabilitet, jordfyldte og miljømæssige godartede karakterer, betragtes som de mest lovende ikke -ædle metalkatalysatorer.

"Derfor, den fine kontrol af NiFe LDH -hybridisering til et specifikt grafensubstrat for at opnå et øget elektrokemisk aktivt overfladeareal (ECSA), fuldt eksponerede aktive websteder, og et optimalt grænsefladeforbindelse er det mest lovende nylige emne i retning af overlegen iltudviklingskatalyse og praktisk anvendelse, "Siger professor Qiang Zhang.

I dette arbejde, arkitekturen af ​​grafen/NiFe LDH -kompositter er inspireret af granatæblets hierarkiske struktur. Ved at bruge en nitrogen-dopet mesoporøs grafenramme som substrat for in situ-vækst og dekoration af NiFe LDH'er, de resulterende LDH'er udviser en ensartet nano-størrelse og spredning, og et stærkt grænsefladepar med det ledende substrat.

"Det vigtigste spørgsmål for materialefabrikationen er den topologi-assisterede og rumligt begrænsede vækststrategi på grund af grafen." siger Cheng Tang, den første forfatter til dette værk. "Nitrogendopant og topologi-inducerede defekter af grafen bidrager til adsorption og anker af metalkationer og derefter fungerer mesoporer i planet på grafen som nano-reaktorer til rumligt begrænset kernedannelse og vækst af NiFe LDH'er, derved en stærk affinitet og ensartet spredning af den voksende nanoserede NiFe LDH i den mesoporøse grafenramme. "

"Denne hierarkiske struktur optimerer hybridiseringen mellem NiFe LDH'er og grafen, "Prof. Zhang noterer." Det resulterer i mesoporøse kanaler, sammenkoblet elektron motorvej, intim grænsefladekobling, undertrykt partikelaggregering, og fuldt eksponerede aktive websteder. "

Yderligere katalysemålinger afslører, at dette materiale overgår kommercielle Ir/C-katalysatorer og konkurrerer positivt mod de bedst rapporterede alternativer til højtydende OER-katalyse med en bemærkelsesværdig lav Tafel-hældning (~ 45 mV dec. ^-1 ), en væsentligt reduceret overpotentiale (~ 337 mV krævet for 10 mA cm ^-2 ), og forbedret holdbarhed i 0,10 M KOH.

Professor Zhang og hans team rapporterer, at den fremragende ydeevne er bidraget fra den synergetiske effekt af to ideelle komponenter og også de unikke strukturel egenskaber ved denne nye hybrid. Fremadrettet, de planlægger at undersøge og optimere sammensætningen og strukturen af ​​denne slags hybrid, og for at fastslå struktur-ejendomsforholdene og den underliggende katalytiske mekanisme.

"Jeg tror, ​​at dette stærkt koblede kompleks har forskellige anvendelser, såsom heterogen katalyse, sensorer, energiomdannelse og lagring, og så o, . "siger professor Zhang." Og endnu vigtigere, den topologi-assisterede design- og fabrikationsstrategi åbner nye veje og kaster lys over en ny gren af ​​avancerede nano-arkitekturerede materialer og hybrider. "