同济大学陈作锋教授Small观点：钴氮化物的1D/3D异质组装体助力高效整体水合肼分解和超级电容器- 大数跨境

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同济大学陈作锋教授Small观点：钴氮化物的1D/3D异质组装体助力高效整体水合肼分解和超级电容器

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2023-12-09

导读：同济大学陈作锋教授Small观点：钴氮化物的1D/3D异质组装体助力高效整体水合肼分解和超级电容器

文章信息

钴氮化物的1D/3D异质组装体助力高效整体水合肼分解和超级电容器

第一作者：熊登科

通讯作者：汪建营*，陈作锋*

单位：同济大学

研究背景

氢具有高能量密度，已成为一种有前途的、可再生的、无污染的能源载体。电催化水裂解是一种很有前途的制氢方法。然而，作为阳极的析氧反应(OER, 1.23 V vs RHE)具有较高的热力学势以及缓慢的动力学。这不仅导致了大量的能源消耗，也极大地限制了大规模应用。因此，迫切需要替代策略来最小化阳极能量消耗。研究表明，利用小分子如甘油、苯甲醇、尿素、5-羟甲基糠醛和肼等进行热动力学上更有利的氧化来代替缓慢的OER可以显著的降低产氢能耗。其中，肼氧化反应(HzOR, N₂H₄+4OH⁻→N₂+4H₂O+4e⁻)表现出极低的氧化电位(-0.33 V vs RHE)。在阳极HzOR中同时产生生态友好型N₂和在阴极HER中同时产生H₂(即整体肼分解，OHzS)比通过水分解产生爆炸性O₂/H₂混合物要安全得多。此外，制备同时具有高效的多功能催化剂会促使电解产氢以及超级电容器储能更快大规模应用。

文章简介

近日，同济大学的陈作锋教授，在国际知名期刊Small上发表题为“1D/3D Heterogeneous Assembling Body of Cobalt Nitrides for Highly Efficient Overall Hydrazine Splitting and Supercapacitors”的研究文章。

该研究文章提出了构建1D/3D异质组装体CoN-Co₂N@NF多功能催化剂，实现了优异的HER, HzOR和超级电容器(SCs)性能。差分电化学质谱测量结果表明，HzOR通过4e^-反应途径释放N₂，而1e^-反应途径释放NH3是非竞争性的。XAFS、in-situ Raman和DET计算表明，氮化物本身是HzOR的催化物质，并说明了异质结构的CoN-Co₂N在优化中间体的吸附能和提高对HzOR和HER的催化活性方面的优势。

本文要点

要点一：1D/3D异质组装体CoN-Co₂N@NF的制备与形貌

图1. a) 1D/3D CoN-Co₂N@NF异质组装体形成示意图。b) Co(OH)₂@NF, c) CoPBA/Co(OH)₂@NF, d) CoN-Co₂N@NF的SEM图像。e, f) CoN-Co₂N@NF的HRTEM电子衍射图。g) CoN-Co₂N@NF的EDX结果。

要点二：催化剂的谱学表征

图2. a) CoN-Co₂N的XRD谱图。b) 催化剂的红外光谱，c)拉曼光谱。d) BET和孔径分布曲线。e-f) XPS光谱。CoN-Co₂N的XANES和EXAFS谱图: g) Co K边归一化谱图, h) Co K边EXAFS谱图, i) CoN-Co₂N的小波变换图。

要点三：优异的HzOR和HER催化性能

图3. a) 1.0 M KOH条件下CoN-Co₂N@NF的HzOR与OER的比较。b) HzOR性能的LSVs。c) 塔菲尔斜率图。d) CoN-Co₂N@NF在不同肼浓度下的LSV曲线。e) EIS。f) 催化剂CoN-Co₂N@NF在−0.08 V电位下HzOR的计时电位曲线。g) HER性能的LSVs和h) 塔菲尔斜率图。i) 催化剂CoN-Co₂N@NF在−0.16 V电位下HER的计时电位曲线。

要点四：原位拉曼和微分电化学质谱测试

图4. a)在1.0 M KOH/0.1 M N₂H₄的不同电位下CoN-Co₂N@NF对HzOR的原位电位依赖拉曼光谱。b-c) CoN-Co₂N@NF的HzOR稳定性测试前后的XPS图。d) 1.0 M KOH/0.1 M N₂H₄在0和0.3 V下对HzOR的DEMS和e)相应的电流曲线。

要点五：DFT理论计算

图5. a) CoN, b) Co₂N和c) CoN-Co₂N原子结构模型的侧视图。d) 态密度(DOS)。e) d带中心。f) CoN-Co₂N的差分电荷。计算了CoN、Co₂N和CoN-Co₂N的g) HER和h) HzOR的自由能图。

要点六：超级电容器性能

图6。电极在3 M KOH电解液中的超电容性能。a) 5 mV s−1时的CV曲线。b) 充放电曲线。c) 比电容图。d) CoN-Co₂N@NF在不同扫描速率下的CV曲线。e) EIS曲线。f) 在15 A g−1下CoN-Co₂N@NF的循环稳定性测试曲线。

文章链接

Dengke Xiong, Xiaoyang He, Xuan Liu, Shuaiqi Gong, Chen Xu, Zhentao Tu, Deli Wu, Jianying Wang*，and Zuofeng Chen*. 1D/3D Heterogeneous Assembling Body of Cobalt Nitrides for Highly Efficient Overall Hydrazine Splitting and Supercapacitors.

https://doi.org/10.1002/smll.202306100

通讯作者简介

陈作锋 教授简介：2005年硕士毕业于厦门大学，师从博士师从香港大学Vivian Wing-Wah Yam 院士，随后在北卡罗莱纳大学教堂山分校Thomas J. Meyer 院士课题组以及杜克大学Benjamin J. Wiley 教授从事博士后研究工作。2014年加入同济大学，入选国家级青年人才计划，同济大学“百人计划A”，2020年遴选为同济大学长聘教授。主要从事人工光合作用和太阳能燃料制备过程中的光、电催化和新能源材料等课题的研究。已发表论文150篇，其中以第一作者或通讯作者在Proc. Natl. Acad. Sci. (3), J. Am. Chem. Soc. (3), Angew. Chem. Int. Ed. (3), Adv. Mater. (1), Energy Environ. Sci. (2), Adv. Energy Mater. (1), ACS Nano (2) 等期刊发表IF > 10的论文45篇；论文他引近8000余次，h-index 53；申请专利28件；主持国家自然科学基金青年项目1项，面上项目3项，上海市自然科学基金面上项目1项，中央高校基本科研业务费1项；完成企业委托开发项目多项。

汪建营：2015年于哈尔滨工业大学获工学学士学位，2020年于同济大学获理学博士学位，2021年进入上海交通大学环境科学与工程学院博士后流动站，2023年加入同济大学化学科学与工程学院工作，任预聘助理教授、硕士生导师。目前，围绕电解水制氢催化剂和催化体系开发、以及环境废弃物的电催化资源化转化等研究方向，以第一/通讯作者身份在ACS Catal. (2), Adv. Energy Mater. (1), Appl. Catal. B: Environ. (1), Small (1), J. Energy Chem. (1) 和J.Mater. Chem. A (2) 等国际学术期刊发表SCI论文17篇，h-index 27；申请中国发明专利9件，已授权5件。主持中国博士后科学基金面上项目1项，作为骨干参与多项国家自然科学基金面上项目。

第一作者简介

熊登科，同济大学2021级博士生，主要研究方向包括水分解，超级电容器以及有机小分子氧化。以第一作者发表论文5篇，h-index 11。