通過合理設計Co3O4/石墨烯納米複合材料中的Co-OC鍵以促進析氧反應

2021-01-21 石墨烯雜誌

過渡金屬氧化物和碳材料之間的納米複合材料已被認為是很有前景的析氧（OER）催化劑。我們相信如此的納米複合材料具備高效的OER活性，這將歸因於氧化物和碳之間的協同效應。然而，這種協同效應的具體機理仍需探究。在本項工作中，藉助複雜的第一原理模擬，揭示了Co-O-C鍵在增強OER活性中起關鍵作用，在此過程中引入了HO*的去質子化反應步驟。此外，從模擬結果可預測，該納米複合材料的有效活性位點是鄰近Co-O-C鍵的O原子。在仿真結果的基礎上，我們設計了Co3O4/還原型氧化石墨烯納米複合材料作為OER催化劑，目的是優化Co-O-C鍵百分比和鄰近氧活性位點。採用XANES來表徵Co-O-C鍵的形成。通過改變前驅劑量，Co-O-C鍵的比例可以優化到〜43％。所製得的納米複合材料表現出優異的OER活性，與模擬結果一致。本項工作提出了過渡金屬氧化物和碳材料對OER活性的協同效應機理。

Figure1.第一原理模擬。


Figure2.H 1s軌道和連接的β-CoOOH（001）表面O 2p軌道的PDOS。


Figure3. Co3O4/rGO納米複合材料的協同過程。


Figure4. Co3O4/rGO的TEM表徵和元素分布圖。


Figure5. Co3O4/rGO的XPS譜圖。


Figure6. Raman譜圖。


Figure7.所製得催化劑的OER性能表徵。

   該研究工作於2017年發表在Nano Energy(2017, 33, 445-452)上。


相關焦點

  • 新型Co3O4納米顆粒/氮摻雜碳複合材料:優異析氧反應催化活性
    在550℃下裂解5 h後，三種ZIF-67複合材料均為前驅體的形貌，沒有粒子群或結構倒塌，表明所得到的Co3O4/NPC複合材料具有高結構穩定性。圖1b顯示在碳材料中，T-ZIF-67表面縮水成均勻嵌入Co3O4納米粒子的菱形十二面體中心。為了確定複合材料的元素組成，進行元素映射分析。如圖1c、f、i和表S1所示，所有這三種複合材料主要由鈷和氧組成，含有微量的碳和氮。
  • 【石墨烯】黃建宇教授課題組Nano Energy:固態Na-O2電池中Co3O4...
    研究者為可充電金屬空氣電池設計了大量的催化劑，以提高ORR和OER的可逆性和效率。貴金屬催化劑如Au、Pt、Rh等通常用於促進ORR和OER熱力學和動力學過程。最近，Yang等人用高度分散的鉑納米粒子成功地合成了石墨烯納米片(Pt@GNS)，並研究了它們對SOBs的電催化性能。
  • 三維石墨烯框架/Co3O4複合電極用於高性能超級電容器和無酶葡萄糖檢測
    三維石墨烯框架/Co3O4複合電極是通過熱爆炸法製得，在此過程中，有Co3O4納米顆粒生成，氧化石墨烯得以還原，且三維框架也隨之構造。
  • 工程去除| 脈衝放電等離子體結合石墨烯-WO3-Fe3O4納米複合材料的複雜催化有效去除甲碸黴素
    Fe3O4 nanocomposites.Finally, catalytic degradationmechanism of TAP by PDP with graphene-WO3-Fe3O4 was summarized. 中文摘要使用石墨烯-WO3-Fe3O4納米複合材料研究了脈衝放電等離子體（PDP）誘導的協同催化去除甲碸黴素（TAP）。
  • ...Nano》:兼具高各向異性導熱和導電性能的柔性石墨烯納米複合材料
    】 製備過程如圖2所示，採用平整的石墨烯和層層（LBL）刮塗法製備石墨烯@萘磺酸鹽/聚乙烯醇（GN/PVA）納米複合材料，複合材料保持了石墨烯平整的形貌和高取向結構，NS充當連接石墨烯（π-π相互作用）和PVA（氫鍵）的鍵橋，通過控制超聲處理和刮塗工藝可以得到均勻的GN/PVA混合溶液。
  • 具有高各向異性導熱和導電率的柔性石墨烯納米複合材料
    ，因為碳材料傾向於在納米複合材料中形成隨機網絡。，採用層層刮塗法（LBL scraping method）製備石墨烯@萘磺酸鹽（NS）/聚乙烯醇（GN/PVA）柔性納米複合材料，NS充當連接石墨烯（π-π相互作用）和PVA（氫鍵）鍵橋的作用，得到的薄膜中石墨烯具有高度有序的層次結構和平整的形貌，該結構不僅在面內建立了良好的導電和導熱網絡
  • 中科院化學所:各向異性高導熱和導電率的柔性石墨烯納米複合材料
    成果簡介 使用碳材料同時具有高度各向異性的導熱性和導電性來實現納米複合材料仍然具有挑戰性，因為碳材料傾向於在納米複合材料中形成隨機網絡。，採用層層刮塗法（LBL scraping method）製備石墨烯@萘磺酸鹽（NS）/聚乙烯醇（GN/PVA）柔性納米複合材料，NS充當連接石墨烯（π-π相互作用）和PVA（氫鍵）鍵橋的作用，得到的薄膜中石墨烯具有高度有序的層次結構和平整的形貌，該結構不僅在面內建立了良好的導電和導熱網絡，而且有效地阻斷了面外方向的導電和導熱路徑，從而實現了複合材料集高各向異性導熱和導電性能於一體的高性能化
  • 中科院化學所：各向異性高導熱和導電率的柔性石墨烯納米複合材料
    成果簡介 使用碳材料同時具有高度各向異性的導熱性和導電性來實現納米複合材料仍然具有挑戰性，因為碳材料傾向於在納米複合材料中形成隨機網絡。，採用層層刮塗法（LBL scraping method）製備石墨烯@萘磺酸鹽（NS）/聚乙烯醇（GN/PVA）柔性納米複合材料， NS充當連接石墨烯（π-π相互作用）和PVA（氫鍵）鍵橋的作用，得到的薄膜中石墨烯具有高度有序的層次結構和平整的形貌，該結構不僅在面內建立了良好的導電和導熱網絡
  • ACS Nano:原位電化學透射技術探究Co3O4在析氧過程中的變化
    【研究背景】新興可持續能源技術（例如金屬-空氣電池，水電解池或燃料電池）的效率與析氧反應OER的快慢緊密相關。在OER發生時，化學鍵在電催化劑表面形成並斷裂，在納米或亞納米尺度上發生化學和結構的變化。通過將原位電化學TEM應用於在鹼性和中性電解質中Co3O4納米顆粒的水氧化，重點介紹和討論了在OER期間，納米催化劑發生的形態和結構改變。【文章詳情】通過原位STEM監測循環伏安過程中催化劑的形態演變圖1：原位電化學TEM裝置示意圖。
  • ...在碳-碳鍵動態共價化學及二維晶態聚合物半導體材料方面獲得進展
    石墨烯作為一種明星材料，近年來在世界範圍內受到了來自多個領域學者的持續高度關注，但理論上石墨烯是一種零帶隙類金屬材料，難以在半導體領域發揮作用。從合理設計並製備有機小分子功能單體或砌塊出發，結合有效的聚合方法，製備各類線型或樹枝狀有機共軛寡聚體和聚合物半導體材料，並精準調控其帶隙和能級，業已成為有機半導體材料領域的通用策略。
  • 化學化工學院張帆研究員課題組在碳-碳鍵動態共價化學及二維晶態...
    石墨烯作為一種明星材料，近年來在世界範圍內受到了來自多個領域學者的持續高度關注，但理論上石墨烯是一種零帶隙類金屬材料，難以在半導體領域發揮作用。從合理設計並製備有機小分子功能單體或砌塊出發，結合有效的聚合方法，製備各類線型或樹枝狀有機共軛寡聚體和聚合物半導體材料，並精準調控其帶隙和能級，業已成為有機半導體材料領域的通用策略。
  • 將Co氧化成空心Co3O4負載於電紡納米纖維改善儲鋰性能
    為了減輕體積變化引起的應力從而導致的粉化問題，Co3O4的合理結構設計至關重要，納米結構被認為是一種很有前途的策略，因為納米結構可以大大縮短鋰的擴散長度，有效地促進電極/電解質界面反應。比如納米管，納米線，納米片，納米顆粒，納米籠。為了提高TMOs的導電性，碳基材料與TMOs的雜交得到了廣泛的應用。
  • 氧化石墨烯/碳納米線圈複合材料，用於高性能溼度傳感器
    本文要點：碳納米線圈和氧化石墨烯生產了新型感測複合材料，並在QCM傳感器上對其進行了改進1成果簡介 設計高性能的溼度傳感器以快速準確地檢測相對溼度（RH）在各種應用中很重要。圖3、G 1（a），一周後G 1 C 0.2（b），一周後G 1 C 0.4（c），一周後G 1 C 0.6（d）
  • 中科院化學所《ACS Nano》：兼具高各向異性導熱和導電性能的柔性石墨烯納米複合材料
    【製備方法】製備過程如圖2所示，採用平整的石墨烯和層層（LBL）刮塗法製備石墨烯@萘磺酸鹽/聚乙烯醇（GN/PVA）納米複合材料，複合材料保持了石墨烯平整的形貌和高取向結構，NS充當連接石墨烯（π-π相互作用）和PVA（氫鍵）的鍵橋，通過控制超聲處理和刮塗工藝可以得到均勻的GN/PVA混合溶液。
  • 鋰化誘導Co3O4產生空位提升法拉第電容
    研究發現，在鋰化的Co3O4（Lix-Co3O4）中，鋰嵌入其晶格後可以削弱Co-O鍵的配位並產生大量空位（八面體的Co2+），使得Co3O4的表面活性得到優化，顯著提高了材料的電荷儲存能力。理論計算進一步證明，嵌鋰後表面活性位點與OH-的結合能顯著降低，促進了表面法拉第反應進行。同時嵌鋰後材料的載流子濃度增加，電荷轉移能力提高，增強了嵌鋰金屬氧化物的比容量和倍率性能。
  • 浙江理工大學:氧化石墨烯/碳納米線圈複合材料,用於高性能溼度傳感器
    本文要點： 碳納米線圈和氧化石墨烯生產了新型感測複合材料，並在QCM傳感器上對其進行了改進 1 成果簡介 設計高性能的溼度傳感器以快速準確地檢測相對溼度
  • Co3O4中引入合理的缺陷化學和陰離子化學增強氧析出反應
    中構築氧空位，然後通過低溫拓撲氟化學的方法用氟原子重新填充氧空位，此過程導致電子結構的改變以及晶格畸變，有效提高了氧化物的氧析出性能。研究出發點通過模板煅燒鈷鹽來獲得具有大量氧空位的Co3O4介孔催化劑。並通過低溫拓撲氟化學的方法用氟原子取代氧空位改變電子結構，從而促進了親核中間體的吸附。電化學測試和DFT計算表明具有氧空位和F原子取代的Co3O4的OER活性得到極大的改善。
  • 負極材料:中空管道結構的Co3-O4/CNT複合材料有效提高導電率
    Co3O4作為一種金屬氧化物，可以用於鋰離子電池負極材料，由於其具有8電子轉移反應，理論容量是石墨的3倍，因此成為未來鋰離子電池負極材料的潛在替代者。　　近日，新加坡南洋理工大學樓雄文課題組巧妙地使用多步驟法合成了具有分層管道結構的中孔Co3O4和碳納米管複合材料作為鋰離子電池負極材料，該獨特的納米構造很好地緩解了金屬氧化物負極的體積膨脹和電子電導率低的問題。
  • 浙理工：氧化石墨烯/碳納米線圈複合材料，用於高性能溼度傳感器
    本文要點： 碳納米線圈和氧化石墨烯生產了新型感測複合材料，並在QCM傳感器上對其進行了改進成果簡介 設計高性能的溼度傳感器以快速準確地檢測相對溼度（RH）在各種應用中很重要本文，浙江理工大學高俊闊等研究人員，基於石英晶體微天平（QCM）傳感平臺，利用商品化的氧化石墨烯作為傳感材料，並添加了商品化的碳納米線圈來阻止氧化石墨烯層的堆疊。所製造的新型傳感器具有超高響應（4618 Hz / 97％RH）和快速可逆性（2s）。這項工作不僅擴展了商業碳材料的應用，而且實現了具有商業潛力的高性能溼度傳感器的開發。
  • Fe3O4@Cs@Ag納米複合材料在磁性抗菌納米纖維膜生產中的應用
    ：Fe3O4@Cs@Ag納米複合材料的合成、表徵及其在磁性抗菌納米纖維膜生產中的應用DOI:10.1016/j.apsusc.2020.146332靜電紡絲是一種在不同領域生產聚合物和金屬氧化物納米纖維的有前途的技術。