【催化】块体金属固相热扩散法的构建用于锌-空气电池和电解水的三功能电催化剂学术资讯

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开发低成本、高性能的氧还原(ORR)、氧析出(OER)和氢析出(HER)的电催化剂替代贵金属催化剂是锌-空电池和电解水的核心。同时，在电极制作过程中常规步骤是将电催化剂与聚合物粘合然后分散在导电衬底上，使用非活性和绝缘粘合剂将不可避免地导致电池容量降低、增加过电位。构建一种无粘结剂自支撑三功能电催化剂的电极是十分关键。通常情况下，这种三维结构可以在外加碳或金属载体上原位集成，如碳布、碳纸和金属泡沫，然而这将导致催化剂成本的增加和繁琐的合成过程。因此，发展实用简单的策略合成三维自支撑的三功能电极尤为迫切。

近日，中国科学技术大学的吴宇恩教授（通讯作者）课题组利用块体金属钴原位热扩散策略成功构建了钴纳米颗粒和碳管交织的三维薄膜。首先，在较低的热解温度下三聚氰胺在钴片上转化为氮碳，随着加热温度的升高，表面的钴原子拖出，形成挥发性物质，并被富含缺陷的碳捕捉。同时，这些金属气流在碳表面进一步聚合成钴纳米颗粒，催化碳纳米管生长，形成三维纳米颗粒嵌入碳纳米管薄膜。此外，碳膜很容易从金属基底上剥离，具有一定的柔韧性和强度。该薄膜可以直接用于锌-空气电池和电解水,表现出优良的活性和稳定性。

这一研究成果为设计合成多功能的三维自支撑电极提供了新思路，为锌-空气电池和电解水提供了新催化材料，具有非常大的工业化应用潜力。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助和支持。在实验方面，北京光源、上海光源以及合肥光源在同步辐射的测试上给予大力帮助。这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的共同第一作者是中国科学技术大学的博士后杨正坤、博士研究生赵长明和博士后屈云腾。

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