Ultrafast Joule heating synthesis of hierarchically porous graphene-based Co-N-C single-atom monoliths

超快焦耳加热合成分级多孔石墨烯基Co-N-C单原子整体材料

第一作者: 邢玲丽, 通讯作者: 费慧龙

湖南大学 化学化工学院

DOI: 10.1007/s12274-021-4046-z

PDF原文

Nano Research, 2021

论文亮点

研究背景

研究方法

本研究采用超快焦耳加热方法合成自支撑多孔M-N-C单原子整体材料：

  1. 通过水热自组装过程和瞬态焦耳加热技术制备Co-N-C位点整合的多孔石墨烯基整体材料(CoNG-JH)
  2. GO前驱体首先与氨水反应形成胺功能化的GO(AGO)，作为后续步骤的氮掺杂源
  3. 将控制量的钴盐和乙醇引入AGO溶液中，水热自组装成含Co²⁺的AGO(CoAGO)水凝胶
  4. 将具有所需厚度的整体CoAGO水凝胶冷冻干燥，形成具有分级多孔结构的CoAGO气凝胶
  5. 气凝胶薄膜在NH₃气氛下进行电触发2秒焦耳加热过程
  6. 高温加热过程为金属原子在基底上的分散提供活化能，而快速淬火过程可防止长时间加热引起的原子团聚

主要结论

合成过程示意图

CoNG-JH薄膜制备过程
图1: 通过自组装和焦耳加热制备整体多孔CoNG-JH薄膜的过程示意图

该图展示了自支撑CoAGO水凝胶的制备过程：(a)GO的胺功能化，添加钴盐，水热自组装成水凝胶；(b)CoAGO气凝胶薄膜的电焦耳加热过程：通过开关状态实现瞬时加热/淬火；(c)CoNG-JH电极用于制氢的设计策略：石墨烯片自组装产生的宏观孔和纳米孔可有效促进传质并使更多活性位点暴露于HER界面；超快焦耳加热确保了原子CoNₓ部分的快速形成并避免了纳米颗粒的产生。

材料形貌、多孔结构和组成表征

CoNG-JH材料表征
图2: 形貌、多孔结构和组成的表征结果

(a)和(b)CoNG-JH的顶视图和截面SEM图像，显示互连的大孔骨架结构。插图显示了整体CoNG-JH薄膜的光学图像。(c)CoNG-JH的TEM图像，显示由缠绕的石墨烯片形成的壁结构。(d)CoNG-JH的氮吸附和解吸曲线。插图显示了CoNG-JH的孔径分布曲线。(e)CoNG-JH、CoG-JH、CoAGO和CoGO的拉曼光谱。(f)CoNG-JH、CoG-JH、CoAGO和CoGO的FT-IR光谱。(g)CoNG-JH和对照样品(CoG-JH和NG-JH)的XPS调查光谱。插图图表显示了通过XPS测量的CoNG-JH中碳、氮、氧和钴的原子百分比。

组成、化学状态和原子结构分析

组成和原子结构分析
图3: 组成、化学状态和原子结构分析

(a)不同钴含量的整体Co-N-C材料(NG-JH、0.5CoNG-JH、CoNG-JH和1.5CoNG-JH)的XRD图谱。(b)CoNG-JH和NG-JH的XPS N 1s光谱。(c)CoNG-JH和1.5CoNG-JH的XPS Co 2p光谱。(d)和(e)不同放大倍率下CoNG-JH的ADF-STEM图像，显示单个Co原子良好分散在碳基质中。(e)中的插图显示了一个尺寸约为2Å的单个Co原子。(f)CoNG-JH的STEM图像和相应的元素映射图像。

HER电催化性能

HER电催化性能
图4: HER电催化性能

(a)CoNG-JH、CoG-JH、NG-JH和20wt.% Pt/C在0.5M H₂SO₄中经过iR和背景校正后的LSV曲线，扫描速率为1mV·s⁻¹。(b)CoNG-JH与最近报道的最先进的钴基SACs在η₁₀方面的HER活性比较。(c)CoNG-JH、CoG-JH、NG-JH和Pt/C的Tafel斜率。(d)CoNG-JH在不同过电位下的TOF值以及其他最近报道的催化剂。(e)通过η-t曲线在10mA·cm⁻²电流密度下评估CoNG-JH的稳定性，测试时间为48小时。插图曲线显示了10,000次CV循环前后CoNG-JH的极化曲线。(f)加速循环前后CoNG-JH的高分辨率XPS Co 2p光谱。