靜電紡絲技術(shù)構(gòu)建新型催化劑助力高效催化

發(fā)布日期：2022-12-23      瀏覽次數(shù)：651

靜電紡絲技術(shù)構(gòu)建新型催化劑助力高效催化

靜電紡納米纖維具有較小的纖維直徑、良好的柔性和易操作性，作為催化載體能夠與催化劑產(chǎn)生較強的協(xié)同效應，增加催化效果。本期精選了6篇關(guān)于靜電紡絲技術(shù)應用于催化劑領(lǐng)域的最新研究成果，供大家了解學習。

1、暨南大學譚紹早&麥文杰Nano Energy ( IF 19.069 )：多孔碳納米纖維限制NiFe合金納米顆粒作為鋅空氣電池的高效雙功能電催化劑




?挑戰(zhàn)：鋅空氣電池(ZABs)由于其成本低和內(nèi)在的安全性，在下一代可持續(xù)能源儲存中具有潛在的應用前景。然而，ZABs的功率密度和耐用性往往受到三重界面處離子/傳質(zhì)差的限制。




?方法：暨南大學譚紹早教授&麥文杰教授團隊通過將NiFe合金納米顆粒限制在多孔碳納米纖維中，設(shè)計的雙功能催化劑(H-NiFe/CNF)具有豐富的分級孔隙和高比表面積，可顯著促進O2的吸附/轉(zhuǎn)移和OH-擴散。




?創(chuàng)新點1：這些特性使H-NiFe/CNF表現(xiàn)出顯著的雙功能活性，提供了0.67 V的指示ΔE，優(yōu)于大多數(shù)之前的報道和貴金屬的Pt/C+IrO2基準。




?創(chuàng)新點2：在液態(tài)ZABs中實現(xiàn)了長期穩(wěn)定性(在5 mA cm?2下，循環(huán)超過800次)和優(yōu)異的倍率性能。相應地，柔性ZABs也表現(xiàn)出高功率密度和長循環(huán)耐久性。

2、西北工業(yè)大學瞿永泉&馬媛媛Nano Energy ( IF 19.069 ): 用于酸性析氧的高活性和穩(wěn)定的非晶 IrOx/CeO2 納米線




?挑戰(zhàn)：電催化水氧化在可再生能源生產(chǎn)和儲存技術(shù)中至關(guān)重要。然而，由于催化劑的高度氧化和電解質(zhì)的腐蝕性，大多數(shù)OER電催化劑在酸性條件下都很難保持高穩(wěn)定性。




?方法：西北工業(yè)大學瞿永泉、馬媛媛和香港城市大學Johnny C. Ho等采用一種簡便的靜電紡絲/煅燒方法，制備了高活性、高穩(wěn)定性的非晶態(tài)IrOx/CeO2納米線電催化劑。




?創(chuàng)新點1：非晶態(tài)催化劑在1.51 V電壓下的質(zhì)量活性為167 a gIr-1，在10 mA cm-2電壓下的過電位為220 mV，在酸性環(huán)境中連續(xù)工作300 h，性能穩(wěn)定。




?創(chuàng)新點2：IrOx/CeO2緊密的納米級特性產(chǎn)生了豐富的二元界面，在該界面上CeO2作為電子緩沖體調(diào)節(jié)氧中間體的吸附，降低OER的活化勢壘，抑制Ir的過氧化和溶解，從而顯著提高了OER的活性和穩(wěn)定性。

3、黑龍江大學王蕾等人Small ( IF 15.153 )：鐵單原子輔助氮化鈷納米粒子增強可充電鋅-空氣電池的循環(huán)壽命




?背景：鉑(Pt)基和釕(Ru)基貴金屬催化劑是最有前途的ORR/OER催化劑，但其成本高和穩(wěn)定性差限制了其大規(guī)模商業(yè)化。因此，探索活性高效、價格低廉的非貴金屬基雙功能ORR/OER電催化劑是一種有價值且意義重大的替代方法。




?方法：黑龍江大學王蕾教授&中國科學院孫凡飛博士采用同軸靜電紡絲與熱解相結(jié)合的方法合成了Co5.47N粒子與Fe單原子共摻雜空心碳納米纖維自支撐膜(H-CoFe@NCNF)。




?創(chuàng)新點1：H-CoFe@NCNF表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能性能，ORR的Eonset = 0.96 V, OER的Ej = 10 = 1.68 V。




?創(chuàng)新點2：由于納米粒子與單原子共存，H-CoFe@NCNF對氧具有中等的結(jié)合強度。同時，Co位更有利于OER, Fe位更有利于ORR, N與金屬原子之間的質(zhì)子和電荷轉(zhuǎn)移進一步降低了反應勢壘。




?創(chuàng)新點3：由H-CoFe@NCNF組成的液態(tài)鋅-空氣電池具有≈1100 h的充放電性能和205 mW cm-2的峰值功率密度。由H-CoFe@NCNF的自支撐膜組裝的準固態(tài)鋅-空氣電池被證明在任何彎曲條件下都能穩(wěn)定運行。

4、南京理工大學鐘秦教授J. Mater. Chem. A( IF 14.511 )：用于多效水氧化的NiFe基整體式電催化劑




?挑戰(zhàn)：NiFe基催化劑在堿性水氧化中的具有優(yōu)異活性，受到人們的廣泛關(guān)注。然而，在析氧反應中，潛在的金屬溶解，特別是鐵的溶解，會導致活性逐漸失活。




?方法：南京理工大學鐘秦教授團隊采用原位靜電紡絲法合成了將異質(zhì)結(jié)構(gòu)FeS2-Ni3S2和FeNi3納米粒子嵌入多孔S、 N共摻雜碳納米纖維的整體式催化劑。




?創(chuàng)新點1：集成催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的OER活性，在10 mA cm-2時，過電位僅為270 mV。與Ni(OH)2的共價相互作用和碳包包覆結(jié)構(gòu)提高了FeOOH的穩(wěn)定性。FeOOH和Ni(OH)2在導電FeNi3和S/ N共摻雜碳的輔助下協(xié)同催化OER過程。




?創(chuàng)新點2：利用上述多效性的優(yōu)勢，這種整體式催化劑實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生成氧氣50 h，而不會對電極結(jié)構(gòu)造成任何損壞。

5、吉林大學盧曉峰&李美璇Sci. China Mater. ( IF 8.640 )：銥鈷納米纖維作為一種高效穩(wěn)定的雙功能電催化劑用于高性能水裂解




?背景：由于金屬Co對H的吸附具有較高的導電性和較低的能壘，將其與Ir合金化是優(yōu)化電催化劑HER性能的一種有意義的方法，也為達到更好的OER性能提供了很大的機會。




?方法：吉林大學盧曉峰教授&李美璇博士通過靜電紡絲-煅燒-原位氫還原-置換工藝制備了嵌入銥的鈷納米纖維(Co-Ir-600)。




?創(chuàng)新點1：得益于的一維納米纖維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，賦予快速電子傳輸和傳質(zhì)過程以及Ir和Co兩組分之間的協(xié)同作用。Co-Ir催化劑在堿性電解質(zhì)中達到10 mA cm?2電流密度，僅需169 mV的極低過電位, 表現(xiàn)出優(yōu)異的析氧電催化活性。





?創(chuàng)新點2：將Co-Ir-600納米纖維催化劑同時作為陽極和陰極的堿性電解槽，其只需要1.51 V的低電池電壓，即可達到 10 mA cm?2的電流密度且耐用性好，性質(zhì)明顯優(yōu)于參照的Pt/C∥IrO2以及許多已報道的水電解槽。

6、北京科技大學李從舉教授Chem. Eng. J.(IF 16.744)：探索構(gòu)建 Co/Co3O4-Ni/NiO 異質(zhì)界面改性大孔互連中空碳納米纖維







?挑戰(zhàn)：對于粉末催化劑，要添加絕緣聚合物粘合劑來制作電極，這不利于儲能裝置中離子/電子的傳輸。因此，迫切需要一種無粘結(jié)劑的電極來克服電導率、質(zhì)量和電荷儲存/傳輸?shù)钠款i。




?方法：北京科技大學李從舉教授團隊以聚苯乙烯-共聚物-丙烯腈(SAN)為模板材料，采用同軸靜電紡絲和熱解法制備中空納米纖維。通過微調(diào)ZIF-8的粒徑和靜電紡絲參數(shù)，得到了大孔互連空心碳納米纖維。




?創(chuàng)新點1：提出了一種新型多級結(jié)構(gòu)的 Co/Co3O4-Ni/NiO 摻雜的大孔互連中空碳納米纖維 (Co/Co3O4-Ni/NiO@MHCNFs) 作為 Li-O2 電池的自支撐和無粘合劑催化劑。




?創(chuàng)新點2：Co/Co3O4-Ni/NiO修飾的自支撐大孔互連空心碳納米纖維(MHCNFs)電極表現(xiàn)出顯著的電化學性能，包括長期循環(huán)163次，最大容量(16623 mAh/g)。