戴黎明Angew: 自供电电解水三掺杂石墨烯无金属催化剂的合成

【引言】

析氧反应（OER）和析氢反应（HER）是电解水产生氧气/氢气的关键。同样，氧还原反应（ORR）在可再生能源技术中也发挥着重要作用，包括燃料电池和金属-空气电池。对电解水、金属-空气电池等清洁能源技术来说，电催化剂是必不可少的。催化剂能够降低反应过电位，加快反应速率。目前，针对电催化剂的研究主要集中在铂基、金属氧化物等材料上。铂基催化剂一直是ORR和HER的高效催化剂，但其对OER催化活性相对较差。金属氧化物（如氧化钌、铱和钙钛矿氧化物）已作为OER催化剂在广泛研究,但是其HER催化活性还有待进一步提高。因此，寻找对ORR、OER、HER具有高效催化活性的催化剂，是发展电解水、金属-空气电池等可再生能源技术的关键。

【成果简介】

近期，美国凯斯西储大学高分子科学与工程系戴黎明（DaiLiming）教授（通讯作者）等人在六氟磷酸铵（AHF）存在的条件下热解聚苯胺（PANi）涂层的氧化石墨烯（GO-PANi）得到了对ORR、OER、HER具有良好催化活性的N，P和F三掺杂石墨烯无金属催化剂。AHF不仅是掺杂的N，P，F三种原子的来源，而且其热分解有助于形成多孔结构。研究人员将制得的催化剂用电解水和Zn-空气电池相结合的装置测试，形成了一个自供电电解水系统。该系统在空气环境中具有较高的气体产生速率，氢气和氧气的产生速率分别为0.496和0.254 μL s⁻¹，充分显示了N，P和F三掺杂石墨烯无金属催化剂在实际应用中的巨大潜力。

【图文导读】

图1： GO-PANi-FP三功能催化剂的制备流程图

聚苯胺（PANi）首先通过氧化聚合的方法沉积在氧化石墨烯（GO）的表面，形成GO-PANi。GO-PANi与六氟磷酸铵（AHF）一同进行热处理。聚苯胺的热解和AHF的热分解使得氮、磷、氟掺杂的石墨烯（GO-PANI-FP）形成。

图2：样品表面特性及元素分析

（A-C）GO-PANi、GO-PANi31、GO-PANi51三种样品SEM图；

（D-E）GO-PANi31样品TEM图及其元素分析；研究人员发现N、P和F三种杂原子掺杂可以改变样品的表面特性，向石墨烯片中引入缺陷，从而提高电催化活性。

图3：样品化学成分表征

（A-B）GO-PANi31-FP及 N1s、P2p和F1s的XPS图；

（C）GO-PANi31、GO-PANi51的拉曼光谱；

图4：电化学性能表征

（A-C）ORR的LSV曲线及其对应催化剂的电子转移数和过氧化氢在总氧化还原产物中的百分比；

（D-E）OER的LSV曲线及其对应的塔菲尔曲线；

（F-G）HER的LSV曲线及其对应的塔菲尔曲线；通过对比，研究人员认为GO-PANi31-FP是最好的无金属OER催化剂之一；此外，GO-PANi31-FP具有良好的HER催化活性。

图5：电解水性能测试

（A-B）电解水前/后的电极光学图片；

（C）O ₂和H ₂产量与水分解时间的函数图像。

【总结】

本文主要介绍了对ORR、OER和HER具有催化活性的N、P、F三 掺杂石墨烯无金属催化剂的合成，并对其催化性能进行了表征 。该催化剂能够实现自供电电解水，在其催化作用下，氢气和氧气的产生速率分别为0.496和0.254 μL s⁻¹，充分显示了N，P和F三掺杂石墨烯无金属催化剂在实际应用中的巨大潜力。同时，本文研究不仅是合成了一种高效催化剂，也为无金属催化剂的发展提供了一种指导。

  文献链接：Nitrogen, Phosphorus, and Fluorine Tri-doped Graphene as a Multifunctional Catalyst for Self-Powered Electrochemical Water Splitting（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201607405）

该文献汇总由材料人编辑部学术组Liangqi Gui供稿，材料牛编辑整理。