海胆状N掺杂碳涂层3D Fe微/纳多孔膜用于高效析氧反应催化

Xiangtao Yu*, Xiangyu Ren, Zhangfu Yuan, Mingyong Wang, N-doped carbon-coated freestanding Fe film with sea urchin-like micro/nanoporous structure for efficient oxygen evolution reaction catalyst, Functional Materials Letters, (2021), 2150037, DOI: 10.1142/S1793604721500375

随着化石能源的日益枯竭和环境保护措施的越发严格，以氢能为代表的清洁能源日益受到欢迎。而以太阳能、风能等驱动的水电解制氢被认为是很有前途的技术。由于四电子转移过程的动力学缓慢，析氧反应 (OER) 是水电解制氢的瓶颈。须制备高效、廉价且稳定的 OER 电催化剂。地球丰富的过渡金属 Fe 作为潜在的贵金属 OER 电催化剂替代品已被广泛研究。据信，N 掺杂的碳涂层与 Fe 之间会发生电子相互作用，导致表面吸附的 *OOH 和 *OH 的结合能物种更接近于最佳值0。此外，N掺杂碳涂层可以提高电导率。因此，N掺杂碳涂层 Fe 膜具有很高的固有 OER 催化活性。

近日，北京科技大学侯新梅教授领导的“绿色冶金”研究团队发表了题为“N-doped carbon-coated freestanding Fe film with sea urchin-like micro/nanoporous structure for efficient oxygen evolution reaction catalyst”的研究论文，提出了通过MOFs反应在3D多孔金属薄膜表面直接构造海胆状结构，并通过无氧热解处理构造N掺杂碳包覆的微纳海胆状多孔电极并将其作为水电解制氢的析氧电极。该电极展现出良好的析氢活性和稳定性。该成果发表在国际期刊《Functional Materials Letters》。

图1 N掺杂碳包覆Fe电极（Fe@C(N)）制备过程示意图和形貌结构演变

图2 N掺杂碳包覆Fe@C(N)电极的结构和成分表征。

该文章首先通过氢气泡模板法电沉积制备了3D多孔Fe自支撑薄膜；然后将该薄膜浸入TCNQ/乙腈溶液中进行反应，通过控制有机物浓度，反应温度和反应动力学条件（搅拌）等控制反应产物的生长，最终获得具有海胆状的MOFs结构；最后，对反应产物进行无氧热解，获得N掺杂C包覆的具有微纳多孔结构的自支撑多孔膜。通过X射线衍射和透射电子显微镜的表征和分析，确定了产物为Fe@C(N)。利用自支撑的N掺杂碳包覆海胆状Fe@C(N) 微纳多孔结构的自支撑多孔膜作为析氧催化电极展现出良好的OER催化活性和稳定性，测得室温下Fe@C(N) 薄膜在1 M NaOH中Tafel 斜率和在10 和 200 mA cm⁻²处的OER过电位分别为 75 mV dec−1、77 和 453 mV，远低于3D 多孔 Fe 膜 (129 mV dec−1、108 和 595 mV）。

最后，该文章探讨了N掺杂碳包覆海胆状Fe@C(N) 自支撑微纳多孔膜高析氧活性和稳定性的原因。首先，海胆状微纳多孔膜具有良好的润湿性能够促进产生氧气泡及时脱离电极表面，并且该结构具有大的活性比表面积有利于离子的传。其次，氮掺杂的碳包覆结构能够防止阳极的氧化，增强导电性。再次，N 掺杂的碳涂层与 Fe 之间会发生电子相互作用，导致表面吸附的 *OOH 和 *OH 的结合能物种更接近于最佳值。最终，多结构协同效应，增强了电极的析氧活性和稳定性。

图3 N掺杂碳包覆Fe@C(N)电极的析氧性能表征。

北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心“绿色冶金”团队基于冶金物理化学理论基础，突破传统冶金、化工、能源、环境和材料等各学科割裂的局限，探究新型材料对钢铁、能源和环境领域的促进作用。梯队的主要研究方向包括：（1）界面反应动力学；（2）高温溶体界润特性研究；（3）新型高温陶瓷材料的开发；（4）冶金过程废水、废液、烟气和固废治理和综合利用；（5）新型光电、力电功能材料的开发与器件构筑等；（6）基于电化学冶金的功能材料多结构调控。目前有教授3人(含国家杰青1人)，副研究员1人，助理研究员1人。团队承担国家及省部级项目20余项，发表SCI论文200余篇，申请专利30余项，获得包括省部级奖项10余项。

侯新梅教授课题组

袁章福教授课题组