第一作者：Yafei Zhao

通訊作者：樓雄文，谷曉俊

通訊單位：新加坡南洋理工大學，內(nèi)蒙古大學

研究內(nèi)容：

對于清潔能源和燃料轉(zhuǎn)化來說，開發(fā)高效且成本有效的用于析氧反應(OER)的電催化劑是非常需要的。在本文中，報道了通過熱解設(shè)計的CdS-NiS_x/聚丙烯腈復合纖維，制備出鎳單原子嵌入的中空S/N摻雜碳大孔纖維(Ni SAs@S/N-CMF)作為OER的有效催化劑。具體而言，CdS為聚丙烯腈衍生碳基體的摻雜提供硫源，同時產(chǎn)生中空的大孔結(jié)構(gòu)，而NiSx首先被還原成納米顆粒，最終通過原子遷移俘獲策略演變成單Ni原子。得益于大量暴露的單鎳原子和中空大孔結(jié)構(gòu)，所得Ni SAs@S/N-CMF電催化劑為OER提供了優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性。

要點一：

中空納米結(jié)構(gòu)，可以通過顯著提高表面積-體積比和最大限度地暴露金屬位點來極大地提高催化性能。一些用單原子修飾的高級碳基材料已經(jīng)被制備用于有效的OER。

要點二：

從CdS固體納米粒子(NP)開始，然后將NiSx物種沉積在CdS NPs的表面上，以獲得CdS-NiSx NP。然后，將CdS-NiSx納米粒子與聚丙烯腈(PAN)進行靜電紡絲，得到CdS-NiSx/PAN復合纖維(記為CdS-NiSx@PAN)。碳化處理后，得到Ni SAs@S/N-CMF催化劑。由于大量暴露的單鎳原子和中空大孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，所得Ni SAs@S/N-CMF電催化劑對OER表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能，在10mA cm^-2下過電位為285 mV，Tafel斜率為50.8mV dec^-1，穩(wěn)定性良好。

圖 1 CdS-NiSx@PAN纖維的(a-c) 場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖像、(d-f) 透射電子顯微鏡圖像和(g) 高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡圖像和元素映射圖像

圖 2 Ni SAs @ S/N-CMF的a-c)場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖像，(d-f)暗場透射電子顯微鏡圖像，和(g)的像差校正的高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡圖像。(h) 暗場透射電子顯微鏡圖像和Ni SAs@S/N-CMF的相應元素繪圖圖像。

圖 3在不同退火溫度下獲得的產(chǎn)品的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖像和(e-h) 透射電子顯微鏡圖像:(a,e) 650^oC，(b,f) 750^oC，(c,g) 850^oC，(d,h) 950^oC。(i)結(jié)構(gòu)演化過程示意圖。

圖 4 (a)X射線衍射譜圖，(b)Ni NPs@S/N-CMF和Ni SAs@S/N-CMF的高分辨率Ni2p3/2 X射線光電子能譜。(c) k2χ(k)振蕩曲線、(d) FT曲線和(e) Ni NPs@S/N-CMF, Ni SAs@S/N-CMF和相關(guān)材料K邊EXAFS光譜的WT等值線

圖 5 (a)線性掃描伏安圖，(b)10mA cm^-2時的超電勢，以及(c) RuO2, S/N-CMF, Ni NPs@S/N-CMF, 和Ni SAs@S/N-CMF相應的塔菲爾斜率。(d) TOF值，以及(e)在0.95 V下的電容電流密度(1/2δJ)與Ni NPs@S/N-CMF和Ni SAs@S/N-CMF掃描速率的關(guān)系。(f)在10mA cm^-2時，RuO2, Ni NPs@S/N-CMF, 和Ni SAs@S/N-CMF的電位-時間曲線。

參考文獻：

Yafei Zhao, Yan Guo, Xue Feng Lu, Deyan Luan, Xiaojun Gu,* Xiong Wen (David) Lou* Exposing Single-Ni Atoms in Hollow S/N-doped Carbon Macroporous Fibers for Highly Efficient Electrochemical Oxygen Evolution. 2022.

http://doi.org/10.1002/adma.202203442

化學試劑