NanoEnergyNP共掺杂中空碳纳米纤维用于三功能非金属电催化剂

　　多功能电催化剂具有广阔的应用前景，在储能和能量转换系统中具有重要的应用前景。贵金属催化剂被广泛使用，其中铂基催化剂对氧化还原反应（ORR），和析氢反应（HER）有效，而IrO2和RuO2对析氧反应（OER）活性高。但这些贵金属催化剂成本高、稳定性差，阻碍了其工业化应用。理想的设计和易于制备的非贵金属三官能电催化剂具有高性能，低成本和强氧化还原反应（ORR），析氧反应（OER）和析氢反应（HER）的耐久性，这是非常需要的，但仍然是一个很大的挑战。
　　近日，天津大学杨全红教授、智林杰研究员和国家纳米中心孔德斌博士（共同通讯作者）采用同轴静电纺丝技术由TPP/PVP (TPP=三苯基膦，PVP=聚乙烯吡咯烷酮)为核和DCDA/PAN (DCDA=双氰胺)为壳组成的原始核-壳纳米纤维，经过聚合和热解制备了N、P共掺杂的中空碳纳米纤维(N,P- HCNF)膜（图1），该膜具有分级多孔结构和丰富的掺杂、缺陷、边缘等催化活性位点。得益于一维(1D)碳中空纳米结构的特点，纤维膜具有丰富的活性位点、连续的导电路径和良好的传质通道，其对ORR、OER和HER具有良好的三官能电催化活性。进一步的研究表明，传质效果对电催化活性有很大的影响，主要是通过增大比表面积来影响孔内的固有催化活性和离子电阻。原始膜松散堆积的纤维网络经聚合热解后转变为紧密交织的多孔结构（图2a-b），提供了连续的导电路径。N、P-HCNF-8的断裂面清晰的表明了平均直径为~300nm，且随着PAN浓度的增加，N、P-HCNFs直径增大，纤维形态更加清晰。N,P-HCNF-8具有多孔网状结构和类石墨结构，具有大量的边缘和缺陷，可以有效促进电催化。因此，本研究为电催化和其他应用领域中具有丰富活性位点和孔结构的高活性非金属电催化剂的设计、制备和调控提供了新的思路。相关研究成果以＂N,P co-doped hollow carbon nanofiber membranes with superior mass transfer property for trifunctional metal-free electrocatalysis＂为题目发表于期刊《Nano Energy》上。
　　图1 N,P-HCNFs的制备过程示意图。
　　图2 (a) N、P-HCNF-8热解前原始膜、b) N、P-HCNF-8、(c) N、P-HCNF-8断裂面SEM图像。N、P-HCNF-8的(d) TEM、(e) HRTEM和(f) HAADF-STEM图像。(g-j) 插图(f)中的C、N、O、P元素的元素分布图像。
　　图3 N、P-HCNFs的(a)拉曼光谱、(b) XRD图谱、(c) N 1s XPS光谱、(d) N2吸附-解吸等温线、(e) 孔径分布曲线。
　　图4 (a) N、P-HCNF-8在O2-和N2饱和0.1 MKOH溶液中的CVs 曲线；(b) N、P-HCNFs和Pt/C催化剂在O2饱和0.1 M KOH电解液中LSV曲线（1600 rpm, 10 mV s -1）； (c)扫描速率为10 mV s -1时，N,P-HCNF-8在不同转速下的LSV曲线；(d) 图（b）中的塔菲尔斜率；(e)N、P-HCNF-8和Pt/C催化剂在0.7V(vs. RHE)下在0.1 M KOH（900 rpm）的i-t 曲线。(f) N,P-HCNF-8和Pt/C在0.7V (vs. RHE)下的甲醇耐受性。
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