轉(zhuǎn)載自：x-mol https://www.x-mol.com/news/506092發(fā)展可再生、安全、清潔、可持續(xù)的新能源及其所需的能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換技術(shù)是當(dāng)下全球性的熱門課題，其中，超級(jí)電容器、鋰離子電池、金屬空氣電池、氫氧燃料電池、電解水等作為典型的能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換技術(shù)具有極大的應(yīng)用潛力和研究價(jià)值。其反應(yīng)過程中的關(guān)鍵電極反應(yīng)如氧氣還原反應(yīng)（ORR）、析氧反應(yīng)（OER）、析氫反應(yīng)（HER）等，均涉及到反應(yīng)中間體在電極上的吸附和離解的復(fù)雜反應(yīng)過程，因此需要催化劑來加快反應(yīng)的進(jìn)行。傳統(tǒng)催化劑通常為粉末態(tài)，構(gòu)建電極時(shí)需要預(yù)先將催化劑制備成懸浮液涂覆到集流體上，且需要添加價(jià)格高昂的粘結(jié)劑以提高穩(wěn)定性，繁瑣的電極制備過程不僅會(huì)大大增加應(yīng)用成本，這些不具備催化活性的粘結(jié)劑還會(huì)阻礙催化劑性能的發(fā)揮。相較于粉體催化劑，自支撐碳基復(fù)合膜電極（如碳納米管復(fù)合膜、石墨烯復(fù)合膜等）具有諸多優(yōu)勢(shì)：首先，碳基復(fù)合膜具備優(yōu)異的導(dǎo)電性，可以為電子轉(zhuǎn)移提供通道；其次，原位生長的碳基復(fù)合膜的催化中心不容易團(tuán)聚，具有更好的穩(wěn)定性；再者，較高的比表面積可以暴露出更多的催化活性位點(diǎn)，提高膜材料的催化性能；最后，膜材料更便于利用界面工程對(duì)電極表面進(jìn)行組分及納米結(jié)構(gòu)調(diào)控來增加電極的選擇性及多功能性，而這些優(yōu)點(diǎn)都將大大提升碳基復(fù)合膜材料的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)性。
近日，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）閆理停博士、沈建興教授、齊魯工大特聘教授趙學(xué)波教授聯(lián)合昆士蘭大學(xué)王連洲教授，在Advanced Materials 發(fā)表研究論文，他們選用中空球形MOF作為“間隔物”，利用MOF自生長的碳納米管“針線”，將二維石墨烯片層“縫合”起來，構(gòu)建了一種柔性三維自支撐的多孔碳納米管石墨烯復(fù)合膜材料。得益于MOF中金屬及有機(jī)配體的可控性，可以在膜結(jié)構(gòu)中引入均勻分布的金屬納米顆粒。此外，通過精確調(diào)控MOF的結(jié)構(gòu)，得到了普通球形及中空球形的MOF結(jié)構(gòu)，通過與外加碳源及氮源的配合，精確調(diào)控了金屬及碳骨架結(jié)構(gòu)的元素組成。結(jié)合X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）譜對(duì)金屬鎳的價(jià)態(tài)及配位環(huán)境進(jìn)行了精確表征，結(jié)果顯示，通過N原子的引入，鎳納米顆粒中引入了部分Ni-Nx配位，使得Ni元素的價(jià)態(tài)從金屬態(tài)的Ni0向Niδ+發(fā)生偏移，在催化過程中，可以與N摻雜的碳層產(chǎn)生高效的協(xié)同作用，進(jìn)而大大增加膜材料在析氫（HER）、析氧（OER）、氧還原（ORR）多種電催化反應(yīng)中的反應(yīng)活性。而金屬中心包覆的少層石墨碳“鎧甲”結(jié)構(gòu)可以大大提高膜材料的穩(wěn)定性。此外，結(jié)合密度泛函理論計(jì)算（DFT）對(duì)材料表面的活性起源及反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，由于電荷從鎳金屬納米顆粒到少層碳核殼結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移，電解水全反應(yīng)中最為關(guān)鍵的水解離的自由能大大降低，使的材料在多種催化反應(yīng)中需要更低的能量，進(jìn)而提高材料的催化性能。利用實(shí)驗(yàn)合成的膜材料作為電解水電極及鋅空氣電池的空氣電極，取得了優(yōu)于貴金屬催化劑Pt/C-RuO2的催化性能和催化穩(wěn)定性。該方法具有很好的普適性，可用于多種納米結(jié)構(gòu)的MOF及二維材料，可廣泛用于多種功能膜材料的合成與制備，具有廣闊的應(yīng)用前景。
上述成果近期發(fā)表在Advanced Materials，文章的第一作者是齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）青年教師閆理停博士，通訊作者為齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）閆理停博士、沈建興教授、趙學(xué)波教授和昆士蘭大學(xué)王連洲教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金、山東省“泰山學(xué)者”支持計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。A Freestanding 3D Heterostructure Film Stitched by MOF‐Derived Carbon Nanotube Microsphere Superstructure and Reduced Graphene Oxide Sheets: A Superior Multifunctional Electrode for Overall Water Splitting and Zn–Air BatteriesLiting Yan, Yulin Xu, Pan Chen, Shuo Zhang, Huimin Jiang, Lingzhi Yang, Ying Wang, Li Zhang, Jianxing Shen, Xuebo Zhao, Lianzhou WangAdv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003313
https://www.x-mol.com/university/faculty/160441https://www.x-mol.com/university/faculty/41797https://www.x-mol.com/university/faculty/29292
