王双印教授课题组在电催化剂设计研究方面取得重要进展图文

我校化学生物传感与计量学国家重点实验室、化学化工学院王双印教授课题组在电催化氧还原（ORR）和氧析出（OER）方面的研究取得重要进展。该课题组通过等离子体技术对材料表面进行改性处理从而明显提高了材料的氧气催化行为。最近，该项工作的两项研究成果分别发表于化学领域顶级期刊《德国应用化学》（Angew. Chem., 2016, 128, 5363. IF=13.46）和能源环境领域顶级期刊《能源与环境科学》（ Energy Environ. Sci., 2016, 9, 1320. IF= 20.523）。

随着当今世界传统化石能源的过量消耗，新一代可更新能源例如燃料电池、金属空气电池和水分解器件等受到了人们越来越多的关注。电化学ORR和OER为新一代可更新能源技术中的两个最为重要的过程。制备低廉高效的电催化剂成为了近年来研究者们一直致力追寻的目标。

王双印课题组通过等离子体技术对非贵金属催化剂的表面进行改性，以简单高效的方式提升了催化剂的电化学性能。首先，该课题组徐磊等同学通过等离子体雕刻技术设计了一个基于Co₃O₄的OER催化剂，等离子体雕刻不仅增加了材料的比表面积，而且还能在Co₃O₄的表面产生更多的氧空位。高的比表面积保证了Co₃O₄表面具有更多的氧析出催化活性位点，在Co₃O₄表面产生的氧空位既提高了材料的导电性又在OER中提供了更多的缺陷。与原始的Co₃O₄相比较，等离子体雕刻过的Co₃O₄具有更高的电流密度和更低的起始电位。在1.6 V 的电压条件下，用等离子体雕刻过的Co₃O₄纳米片的电流密度是未经处理的Co₃O₄纳米片的10倍。

另一方面，该课题组利用氨气等离子体对催化剂同时进行表面刻蚀和掺杂，制备出具催化ORR和OER的双功能催化剂。通过氨气等离子处理Co₉S₈纳米颗粒负载的石墨烯（Co₉S₈/G），氮元素成功的掺杂于Co₉S₈和石墨烯的晶格中，不仅如此，在Co₉S₈和石墨烯的表面也会产生部分刻蚀。杂原子的掺杂可以有效调节Co₉S₈和石墨烯的电子结构；而表面的刻蚀可以使催化剂暴露出更多的催化活性位点，通过这些手段使获得的高活性双功能电催化剂展示出与商业化Pt/C相近的ORR催化性能，以及优于RuO₂的OER催化性能。

该项工作受到了国家自然科学基金（No. 51402100和21573066）, 中组部“青年千人”计划以及湖南省交叉学科研究项目的支持。

论文链接：

Angewandte:

《Plasma-Engraved Co3O4Nanosheets with Oxygen Vacancies and High Surface Area for the Oxygen Evolution Reaction》

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201600687/full

EES:

《Etched and doped Co9S8/graphene hybrid for oxygen electrocatalysis》

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ee/c6ee00054a#!divAbstract

责任编辑 蒋晶丽