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研究内容:
探索用于析氢反应的高效电催化剂在氢燃料的可持续和广泛应用中起着至关重要的作用。铂基电催化剂作为最好的候选材料之一,由于其稀缺、价格昂贵、稳定性差和耐久性差而被限制在大规模商业应用中。在此,作者在连续导电的碳纳米管阵列基板上构建了 ZIF-8 衍生的氮掺杂碳阵列限制的铂簇结构,并命名为 CTA@Pt@NCBs。制备的CTA@Pt@NCB 在10 mA cm-2下表现出 27.42 mV 的低过电位。更重要的是,CTA@Pt@NCBs表现出优异的稳定性和耐久性,计时电位测试60小时后电位保持率为97.18%,高于商业Pt/C(53.09%),10000次电位循环后活性几乎没有下降。优异的电催化性能主要归功于独特的结构特征,包括受限的 Pt 簇、多孔氮掺杂碳气泡、连续导电的碳纳米管阵列和无粘合剂的电极。该工作为提高铂基催化剂的稳定性和原子利用效率提供了可行的策略,从而提高了其成本效益。
示意图1:本文中的示意图
要点一:
在这项工作中,ZnO@ZIF-8 纳米棒阵列 (NRA) 通过水热和原位离子交换法构建,并通过简单的物理吸附法和随后的高温煅烧形成N掺杂多孔碳限制的 Pt 簇。Pt的小尺寸效应、受限结构和氮掺杂碳阵列的协同作用使制备的 CTA@Pt@NCBs 具有优异的 HER 催化性能。CTA@Pt@NCBs的优点如下: (1) 可以充分发挥Pt簇的小尺寸效应,大大提高了Pt的AUE,从而提高了经济效益; (2) 多孔 MOFs 衍生的 N 掺杂碳阵列不仅暴露了大量 Pt 物种的 ECSA,而且限制了 Pt 簇,使 Pt 簇稳定并提高催化性能;(3) N掺杂有利于提高催化剂材料的亲水性,这有利于增加催化剂与电解质的接触面积,从而提高离子和质量的传输速率;(4) 无粘合剂的自支撑催化剂有助于提高催化剂的导电性。
要点二:
在酸性HER中,CTAs@Pt@NCBs比商业Pt/C显示出更好的稳定性和耐久性,即使在60小时后也能维持97.18%的电位保持率。当电极的几何表面积被归一化时,CTAs@Pt@NCBs在电流密度为10 mA cm-2时的过电位为27.42 mV,低于商业Pt/C的36.43 mV。在质量归一化的电流密度下,过电位为-0.08 V(vs. RHE)时,CTAs@Pt@NCBs的质量活性为5.04 mA μg-1,比商业Pt/C的4.43 mA μg-1高1.14倍。
图1.不同放大倍数的扫描电镜图。(a-c) ZnO@ZIF-8;(d-f) ZnO@ZIF-8/Pt;(g-i) CTAs@Pt@NCBs。
图2. (a) CTAs@PT@NCBs的TEM图像;(b) 相应的HR-TEM;(c) HAADF-TEM;对应HAADF-TEM的EDS元素映射图像:(d) C(绿色)、(e) N(蓝色)、(f) Pt(粉红色)。
图3. (a) CTAs@Pt@NCBs的XRD;(b) CTAs@Pt@NCBs的拉曼光谱;(c) CTAs@Pt@NCBs的全光谱;高分辨率光谱:(d) C 1s;(e) N 1s;(f) Pt 4f。
图4. 在N2饱和的 0.5 M H2SO4电解质中 HER 的电化学测试。(a) 4个样品的LSV曲线;(b) CTAs@Pt@NCBs 和 Pt/C 的 Tafel 斜率;(c) CTAs@Pt@NCBs 和 Pt/C 分别在 10 mA cm-2和 100 mA cm-2电流密度下的过电位(vs. RHE);(d) CTAs@Pt@NCBs的耐久性测试,第一次循环和第10000次循环后测试的LSV曲线;(e) Pt/C 的耐久性,在第一次循环和第2000 次循环后测试的 LSV 曲线;(f) CTAs@Pt@NCBs和Pt/C在10 mA cm-2电流密度下的计时电位测量。
图5. 在N2饱和的0.5 M H2SO4电解质中样品的CV曲线,扫描速率为50 mV s-1:(a) CTAs@Pt@NCBs;(b)商业Pt/C;(c)CTAs@Pt@NCBs和商业Pt/C的LSV曲线,其电流密度由Pt物种的质量负载归一化;(d) CTAs@Pt@NCBs和Pt/C中Pt负载量和ECSA的比较。
参考文献:
Xuefang Chen, Xiuyun An, Lizhen Tang, Tianwei Chen, Guanhua Zhang, Confining platinum clusters in ZIF-8-derived porous N-doped carbon arrays for high-performance hydrogen evolution reaction, Chemical Engineering Journal, 429, 2022, 132259. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132259.
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