上海硅酸鹽所析氫與超容電極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)理研究獲進(jìn)展

  隨著化石能源的逐年消耗，新能源與儲能元件的開發(fā)利用成為熱點(diǎn)，其中新型氫能源和超級電容器是兩個研究非?；钴S的領(lǐng)域。氫氣是一種高效、清潔的燃料，而電解水析氫不會產(chǎn)生溫室氣體，對環(huán)境無污染，是制氫的理想方式。超級電容器是一類新型的儲能元件，具有優(yōu)異的充放電壽命及高功率密度，有望實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)化學(xué)電池部分或全部替代。盡管多種納米材料（如：過渡金屬化合物，異質(zhì)原子修飾的復(fù)雜碳材料）作為產(chǎn)氫或超級電容器電極已表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，然而目前復(fù)雜的制備工藝和苛刻的結(jié)構(gòu)調(diào)控嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步應(yīng)用。

　　最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所組合技術(shù)及新材料研究課題組在新型電極材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控、性能優(yōu)化及機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)以廉價原料為前驅(qū)體，采用固相法成功合成了具有優(yōu)異電催化產(chǎn)氫性能的碳包覆Mo₂C超細(xì)納米顆粒（圖1）。超細(xì)Mo₂C顆粒的高比表面積有利于增加活性材料表面的反應(yīng)位點(diǎn)，同時石墨層的高導(dǎo)電性大大促進(jìn)了電子的傳輸，明顯降低析氫反應(yīng)的過電勢。這種新型產(chǎn)氫催化劑與商用催化劑Pt(20wt%)/C的性能接近，且具有穩(wěn)定性優(yōu)異（圖2）、制備方法簡單易行、原料成本低等特點(diǎn)，已成功推廣至其它碳包裹碳化物（W₂C、VC等）納米顆粒的制備和應(yīng)用。該項(xiàng)工作近期發(fā)表于國際期刊Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201506727。審稿人對該工作給予高度評價，認(rèn)為該非貴金屬析氫催化劑獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性使其有望取代昂貴的Pt/C商用催化劑得以應(yīng)用。

　　此外，該課題組與美國華盛頓大學(xué)教授曹國忠合作，利用溶膠-凝膠法成功制備了具有優(yōu)異超電容性能的硫異質(zhì)原子修飾的碳?xì)饽z電極材料，首次闡述了硫誘導(dǎo)碳材料石墨化過程的機(jī)理。所制備電極材料的比電容值在有機(jī)電解液體系中高達(dá)120.4 F/g，同時在經(jīng)過2000個充放電循環(huán)之后仍能保持94%以上的比電容值，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（圖3）。該工作近期發(fā)表于期刊Nano Energy, 2015, 12, 567。審稿人高度評價了該論文的研究結(jié)果：“本文作者首次報道了硫誘導(dǎo)石墨化改善碳材料比電容值的現(xiàn)象，將為高性能有機(jī)體系超級電容器的開發(fā)提供重要的科學(xué)依據(jù)及現(xiàn)實(shí)意義?！?/SPAN>

　　上述工作的主研人員為新近加入該研究團(tuán)隊(duì)的馬汝廣、周遙以及中科院“百人計(jì)劃”研究員王家成。以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院百人計(jì)劃、上海市科委等項(xiàng)目的資助。

圖1: Mo₂C@C合成示意圖及相應(yīng)產(chǎn)物照片

圖2：Mo₂C@C的形貌及電催化產(chǎn)氫性能

圖3：硫修飾碳?xì)饽z電極材料的超電容性能