NanoEnergy静电纺硼碳氧氮纳米纤维毡实现高效水分解

　　在单一电解质体系中开发高效、耐久的无金属碳基电催化剂是可持续能源生产的关键和挑战。采用了贵金属基催化剂(如Ir-/Ru-和pt -基催化剂分别用于OER和HER)来有效降低过电位，提高电催化水分解的效率。然而，贵金属催化剂普遍存在成本高、耐久性较差以及对环境的负面影响等缺点，这些都严重限制了其进一步的商业应用。因此，迫切需要设计和制备低成本、高效的无金属替代品，这些具有优异的电催化活性、高能效和优良的耐久性替代品可以很好地应用于OER和HER。
　　近日，新加坡南洋理工大学Edwin Hang Tong Teo报道了提出了一种简单且可扩展的策略，通过静电纺丝和随后的热处理来制备硼含量可控的自支撑硼碳氧氮纳米纤维毡（BCNONF）。值得注意的是，优化的BCNONF膜在碱性电解液中表现出优异的电催化OER性能，在10 mA cm-2时过电位为403 mV，Tafel斜率为72.9 mV dec-1，和出色的稳定性（10 h后电流密度保持率为88.1%），优于商用Ir/C基准。
　　此外，在相同电解液中，该催化剂比商品Pt/C催化剂具有更好的稳定性，是一种优异的HER催化剂，因此体现了其双功能特性。当同时用作电解槽的阳极和阴极时，自支撑BCNONF膜表现出优异的活性，在10 mA·cm-2时的电位仅为1.79 V，并且具有出色的长期耐久性（50 h后电流密度保持率为90.6%）。密度泛函理论（DFT）计算表明，BCNONF催化剂显著的OER和HER双功能性能源于与CNO表面相比，BCNO表面O原子吸附强度降低和H*吸附增强，从而促进了电催化中间体和BCNONF催化剂之间的有效界面电荷转移。
　　图1.（a）B-PANNF和BCNONF垫的制备过程示意图。（b）5％B-PANNF垫的典型SEM图像、（c）平均直径分布和（d）TEM图像。（e）硼片和B-PANNF垫的XRD图谱。（f）5％-BCNONF垫的SEM图像，（g）平均直径分布，（h-i）TEM和HRTEM图像。（j）HAADF-STEM和相应的元素映射以及单个5％-BCNONF内B、C、N和O元素的原子比。
　　图2.BCNONF催化剂的结构和组成表征。（a）CNONF、1％-BCNONF、5％-BCNONF和10％-BCNONF的XRD、（b）拉曼和（c）XPS全扫描光谱。5％-BCNONF的高分辨率XPS光谱：（d）C1s、（e）B1s和（f）N1s。
　　图3.BCNONF催化剂在1M KOH中的电催化活性。（a）CNONF、1％-BCNONF、5％-BCNONF、10％-BCNONF和Ir/C催化剂在10mV·s-1扫描速率下的OER极化曲线和（b）相应Tafel图。（c）Ir/C和5％-BCNONF催化剂在恒定电位、10mA·cm-2的电流密度下的I-t曲线。（d）CNONF、1％-BCNONF、5％-BCNONF、10％-BCNONF和Pt/C催化剂在10mV·s-1扫描速率下的HER极化曲线和（e）相应Tafel图。（f）Pt/C和5％-BCNONF催化剂在恒定电位下的I-t曲线，电流密度为10mA·cm-2。（g）基于自支撑5％-BCNONF垫的完全水分解示意图。（h）扫描速率为10mV·s-1时的LSV极化曲线。（i）5％-BCNONF双功能催化剂在1.79V恒定电压下于1M KOH中保持50h的长期稳定性。
　　图4.（a）用数字标记BCNO模型上OER和HER所涉及物种的可能吸附位点。在平衡和极限电位下，（b）BCNO和（c）CNO表面模型OER途径的标准自由能图。插图分别是表面模型的顶视图以及OH*、O*和OOH*吸附构型的侧视图。（d）BCNO和CNO模型上HER的三态自由能图。插图是不同模型上H原子吸附结构的顶视图。
　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106246