近期, 中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所液相環境雷射製備與加工實驗室在純單質鎳/石墨烯複合材料的製備及其甲醇氧化電催化研究中取得新進展.
納米鎳基催化劑因其高的催化活性和低成本而被研究者們廣泛認識, 並已成為重要的非鉑基催化劑. 通過降低鎳基催化劑的尺寸來增加鎳的利用率, 是提高鎳基催化劑效率的常用方法. 然而, 納米顆粒尺寸的減小總是不可避免地伴隨著顆粒團聚和二次生長. 獲得具有大量暴露活性位點且不團聚生長的超細鎳單質納米晶, 是提高鎳基催化劑效率的有效途徑.
該研究以液相雷射熔蝕法為技術手段, 利用Ni膠體納米顆粒 (帶正電荷) 與氧化石墨烯 (GO, 帶負電荷) 的靜電作用首先得到高活性的NiOx負載納米複合材料, 並在水合肼溶液中還原生成單質鎳. NiOx被水合肼還原不斷產生N2, 為生成的單質鎳創造了無氧環境, 並最終獲得高度分散, 超小尺寸的純單質鎳 (2.3±0.4nm) 負載的石墨烯納米複合材料. 其中, 單質鎳的超小尺寸為其催化性能的提升提供了大量的活性位點, 石墨烯的存在極大限制了其在催化過程中的再生長和聚集. 實驗表明, 該材料在甲醇氧化電催化應用中展現出了超高的質量比活性 (1600mA/mg) 和優良的穩定性, 迴圈1000次後, 單質鎳依舊保持原來的尺寸和形貌, 沒有發生聚集和二次生長.
該研究利用液相雷射熔蝕技術獲得超小納米晶的優勢, 製備出了純單質鎳負載的石墨烯複合材料, 並展現出優良的甲醇氧化電催化性能, 為設計合成其它具有高電化學活性和穩定性的非鉑催化劑納米晶提供了新的思路和策略.
相關研究成果發表在Chemical Communications上. 該研究得到了國家重點基礎研究發展計劃, 國家自然科學基金, 中科院科研裝備研製項目和安徽省自然科學基金的資助.
圖1.(a), Ni/rGO的合成示意圖; (b), (c), Ni/rGO的低倍和高分辨透射圖片.
圖2.(a), Ni/rGO分別在1M KOH和1M CH 3OH+KOH溶液中的迴圈伏安圖; (b), Ni/rGO分別在1-6M CH 3OH+KOH溶液中的迴圈伏安圖; (c), Ni/rGO和商用Pt/C催化劑在不同迴圈次數下的質量活性對比.
