O/F双掺杂多孔碳纳米多面体,助力高储钾性能

碳材料是一种具有前途的钾离子电池(PIBs)负极材料。然而,由于碳负极的体积膨胀和结构不稳定,要获得高容量、高倍率和长寿命仍然是一个挑战。最近,中国科学技术大学陈乾旺教授在Advanced Functional Materials上发表题为Oxygen/Fluorine Dual-Doped Porous Carbon Nanopolyhedra Enabled Ultrafast and Highly Stable Potassium Storage的论文。

本文首次报道了O/F双掺杂多孔碳纳米多面体(OFPCN)作为PIBs的新型负极材料,在0.05 A g-1时具有481 mA h g-1的可逆容量,在1 A g-1下循环2000周后具有218 mA h g-1的优异性能,其容量保持率为92%。即使在10 A g-1、充放电时间约为40 s的情况下进行5000周循环,仍保持111 mA h g-1的容量。这种超快的钾储存和循环稳定性在PIBs中鲜有报道。

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碳基催化剂电催化析氢研究取得新进展

近年来电解水制氢受到广泛关注,寻找能替代贵金属的廉价高效的电催化剂成为当下研究热点。石墨烯由于具有良好的导电性,优异的化学稳定性以及易于化学修饰等优点,引起了科研人员的广泛关注,人们致力于将其发展成为高活性的电解水制氢催化剂。已有研究结果表明通过氮等杂原子掺杂可以调控杂原子近邻碳原子的电子结构,增强该碳原子活性位点与反应中间体的吸附作用,进而提高石墨烯等碳基材料的电催化析氢性能,然而传统的吡啶、吡咯和石墨型氮掺杂模式对于石墨烯等碳基催化剂的性能调控,效果不佳,与报道的高活性的金属基催化剂相比仍还有很大的差距。本工作通过密度泛函理论计算(DFT)揭示在一个石墨烯晶格六元环内进行双石墨型氮掺杂可以显著改变材料中碳原子(与两个氮原子结合的碳原子)的电子结构,降低碳活性位点的ΔGH*值至非常接近于0 eV, 有望进一步提高碳基材料的析氢催化活性。本研究采用金属有机框架化合物Cu-BTC作为前驱体,通过煅烧和溶剂热处理得到类石墨烯粒子聚集体,经CV循环后,其酸性电催化析氢性能逐渐提高, 达到最优值时,在10 mA/cm2电流密度下其过电位仅为57mV, 塔菲尔斜率为44.6 mV/dec, 显示出与已报道的高活性金属基催化剂和Pt/C催化剂可比的电催化析氢性能。红外光谱、X射线光电子能谱、X射线近边吸收精细结构和固态核磁共振的表征结果表明该碳基材料形成了双石墨型氮掺杂于一个石墨烯晶格六元环的新结构,与两个相邻的石墨型氮键合的碳原子是催化活性位点,该键合方式有利于增强H在C活性位点上的吸附,从而提高催化活性。研究成果以“Dual Graphitic-N Doping in a Six-Membered C-Ring of Graphene-Analogous Particles Enables an Efficient Electrocatalyst for the Hydrogen Evolution Reaction”为题在线发表在国际化学期刊Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201908210。 Continue reading