通过磁感应加热析氧反应超快合成钴/碳纳米复合材料

近日，《先进传感器和能源材料》杂志在线发表了加州大学化学与生物化学系陈少伟教授团队的研究。天然气重整占美国生产氢气的95%；然而，氢是不可持续的和“灰色的”，因为它来自化石燃料。为了获得可持续的“绿色”氢气，利用可再生电力进行电化学水分解已成为最有前途的技术之一，该技术包括阴极的析氢反应 (HER) 和阳极的析氧反应 (OER)。然而，由于缓慢的电子转移动力学和复杂的反应途径，OER 通常需要很大的过电势并严重阻碍水电解的整体效率。铱基和钌基纳米粒子一直是 OER 的主要催化剂；然而，它们的天然稀缺性和高成本使得广泛应用变得不切实际。因此，已经进行了广泛的研究以开发有效的替代品，例如金属合金、金属氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、硫化物、磷化物等。

 

最近，金属/碳纳米复合材料也受到了广泛关注，因为它们具有高导电性和强金属-载体相互作用（例如，碳和金属之间的电荷转移，通过封装的空间限制）。例如，Cui 等人制备了一系列纳米复合材料，其中非贵金属纳米粒子（例如 Fe、Co、Ni 及其合金）封装在单层石墨烯中，其中 FeNi 具有最佳的 OER 活性，过电位 (η₁₀ ) 在 10 mA cm−2 碱性介质中为 +280 mV。基于密度泛函理论 (DFT) 计算的理论研究表明，电子从金属核转移到石墨烯层，显着改变了石墨烯表面氧物质的吸附能量，从而提高了 OER 性能。 Yang 等人通过普鲁士蓝直接退火制备了封装在 N 掺杂石墨烯层中的 FeCoNi 三元纳米合金，其在碱性介质中对 OER 具有 +288 mV 的低 η₁₀。同样，他们发现从金属到石墨烯的电荷转移导致了 OER 电化学的能垒。在这些研究中，金属/碳纳米复合材料是通过多种策略制备的，包括金属有机框架 (MOF) 的热解、化学气相沉积 (CVD)、电纺纳米纤维、它们化学等。这些程序虽然有效，但一般来说（他们的顺序）乏味并且可能需要复杂的仪器。

 

这些问题可以通过最近出现的超快合成来缓解，例如碳热冲击、闪光焦耳加热、激光烧蚀和磁感应加热 (MIH)。这些技术不仅可以将样品制备时间缩短至（毫秒）秒，还可以产生传统方法无法实现的非平衡结构，例如堆垛层错、点缺陷和高熵混合物。例如，Meng 等人利用激光加热液体中的钴靶，由于超快的加热速率，产生了具有丰富氧空位的 CoOOH。所得有缺陷的 CoOOH 对于 OER 表现出 +330 mV 的过电势，比没有氧空位的本体 CoOOH 好得多。在另一项研究中，Cui 等人通过使用碳热冲击仅 55 ms 制备了高熵金属硫化物 (CrMnFeCoNi)S_x 纳米粒子，并观察到高 OER 性能和 +295 mV 的低过电势达到100 mA cm⁻² 的高电流密度。最近，他们证明 MIH 也可用于高性能电催化剂的超快合成。 MIH是一种传统的冶金工具，在螺线管上施加高频交流电流，产生强磁场，瞬间在场内的导体中产生高涡流，将样品迅速加热至高温.在最近的一项研究中，FeNi 尖晶石纳米结构在几秒钟内生成，具有 Fe 和 Ni 相的均匀混合以及大量 Cl 残留物，这两者在传统方法中很难获得，并且共同促成了卓越的 OER 性能（η₁₀₀ = +260毫伏）。在另一项研究中，载于碳纸上的钌纳米颗粒由 MIH 制备，其中发现表面 Cl 残留物导致高 HER 活性（在酸性和碱性介质中 η₁₀ = −23 和 −12 mV，分别）与商业 Pt/C 基准相当。然而，尽管迄今为止取得了进展，但很少有研究关注通过超快合成可控合成金属/碳纳米复合材料。

 

在此，他们通过 MIH 处理 10 s 的沸石咪唑酯骨架 67 (ZIF-67) 制备了一系列钴/碳纳米复合材料，其中钴纳米颗粒被封装在有缺陷的 N 掺杂碳壳中。由于不同程度的碳化（通过控制磁感应电流），不同数量的 Co 物种暴露在电解质中，这有效地影响了 OER 活性。在该系列中，在 400 A 外加电流下制备的样品在碱性介质中具有最佳的 OER 性能，低 η₁₀ 为 +308 mV 和 η200 为 +410 mV，性能甚至高于商业 RuO₂ 在高过电位范围。 Operando X 射线吸收光谱测量表明，优异的活性是由于在碳壳表面形成了 CoOOH，这可能是由于封装的金属纳米粒子的电化学分解。

 

研究详情请见原文：

Ultrafast synthesis of cobalt/carbon nanocomposites by magnetic induction heating for oxygen evolution reaction

https://doi.org/10.1016/j.asems.2023.100046

 

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