武祥MTE: 锚定ZnCo2O4纳米线的PPy薄膜用于双功能电催化剂

第一作者：赵德鹏（沈阳工业大学）

通讯作者：武  祥（沈阳工业大学）

论文DOI：10.1016/j.mtener.2021.100637

全文速览

本文通过简便的水热合成方法与电沉积手段成功制备导电聚合物与三元过渡族化合物杂化复合催化剂材料。合成的产物在碱性条件下具有优越的电催化活性。作为双功能电催化剂，产物呈现出较低的电压和良好的循环稳定性。

背景介绍

现代社会的快速发展要求人们寻求可持续清洁能源替代传统化石燃料。 氢能由于其较高的热值而被认为是理想的替代者。电催化反应包括析氢反应（HER）和析氧反应（OER）。然而，其反应效率通常受质子耦合的电子转移反应和阳极强O-O双键的限制（对于OER）。目前，贵金属催化剂由于其优异的催化性能被广泛研究，例如用于HER的Pt基催化剂和用于OER的RuO2/IrO2。但是高成本和较低的循环稳定性极大地阻碍它们的大规模应用。因此，开发具有低成本高效的电催化剂非常重要，它可以加快反应动力学并提高能量转换效率。

本文亮点

制备的复合结构纳米线平均直径40 nm，比表面积56 m² g^-1。ZnCo2O4@PPy-200样品全解水电压为1.62 V，低于ZnCo2O4纳米线（1.67 V）。表明PPy薄膜的修饰不仅可以提高反应活性位点，也加速反应过程中电荷转移速度。

图文解析

材料形貌与结构表征：首先通过XRD对所制备样品晶体结构进行表征，证实了ZnCo2O4的存在，未发现其他相，表明所合成产品具有较高纯度。为了确认PPy存在，我们对复合材料进行FTIR光谱测试，2357 cm^-1和2914 cm^-1处的衍射峰归因于N-H键，表明PPy膜被成功锚定ZnCo2O4纳米线表面。N 1s光谱也进一步证实了PPy的存在。BET测试表明ZnCo2O4@PPy-200样品具有更高的比表面积。

图1样品的结构表征（a）XRD图（b）氮气吸脱附 （c-f）XPS测试（c）Co2p（d）O1s（e）Zn 2p（f）N 1s

接着用SEM和TEM对样品进行形貌和结构表征。结果表明所制备的样品平均直径30 nm，相邻纳米线相互连接。局部TEM形貌进一步证实纳米线的表面有一层纳米膜。

图2 SEM 表征（a）ZnCo2O4（b-c）ZnCo2O4@PPy（d-f）TEM表征

电解水产氧（OER）研究：我们对所制备的样品进行OER性能研究，发现ZnCo2O4@ PPy-200样品的过电势为254 mV，小于ZnCo2O4@PPy-100（290 mV），ZnCo2O4@ PPy-300（309 mV），ZnCo2O4@PPy-60（319 mV）的过电势。ZnCo2O4@ PPy-200纳米线的Tafel斜率为68.13 mV dec^-1。

图3所得样品OER性能（a）LSV曲线（b）Tafel 斜率（c）双层电容（d）阻抗图（e）Z' 作为ω^-1/2的函数（f）OER性能对比

电解水产氢（HER）研究：通过HER测试发现，ZnCo2O4@PPy-200样品的过电势为183.52 mV。其Tafel斜率为60.77 mV dec^-1，低于ZnCo2O4@PPy-300纳米线（90.58 mV dec^-1），ZnCo2O4@PPy-100（106.48 mV dec^-1），ZnCo2O4@PPy-60纳米线（89.02 mV dec^-1）和ZnCo2O4纳米线（98.92 mV dec^-1）。

图4所得样品HER性能（a）LSV曲线（b）Tafel 斜率（c）双层电容（d）HER性能对比（e） 计时电流稳定性 （f）循环前后的LSV曲线

为了进一步评价所制备催化剂的实际应用，我们对样品进行全解水测试。ZnCo2O4@PPy-200样品全解水电压为1.62 V，低于ZnCo2O4纳米线（1.67 V）。表明PPy薄膜的修饰不仅可以提高反应活性位点，也加速反应过程中电荷传输。

图5（a）LSV（b）Cdl值（c）阻抗图（d）计时电流测试

总结与展望

综上所述，我们已经通过简便的湿化学方法和电化学沉积策略成功地合成双功能核壳结构ZnCo2O4@PPy纳米线。ZnCo2O4@PPy-200催化剂具有优越的HER和OER性能。此外，在1.62 V的电压下，可实现高效的水分解，并具有良好的耐用性。这项工作为电催化应用中高活性的过渡金属化合物的设计与合成提供了新的策略。

通讯作者简介

武祥，博士，沈阳工业大学翔源学者特聘教授，博士生导师。主要从事半导体微纳材料的控制组装及其在环境和能源领域的研究。已在Advanced Materials, Nano Energy, Journal of Energy Chemistry 等期刊发表SCI收录论文160篇。论文引用次数超过5000次，H 因子40。2009年，2012年和2016年三次获得黑龙江省自然科学二等奖。2012年和2015年分别获得黑龙江省高校自然科学一等奖和二等奖各一项。博士毕业论文获2010年哈尔滨工业大学第12届优秀博士论文。出版专著一部。为德国Wiley公司出版书籍Flexible supercapacitor撰写一英文章节。目前担任美国科学出版社期刊Science of Advanced Materials副编辑，Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics国际编委。国际期刊Nano-Micro Letters助理编辑。作为客座主编在国际刊物Chinese Chemical Letters, Journal of Nanomaterials, Science of Advanced Materials和Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics等共组织7期专题。课题组主页：wuxiang.polymer.cn。 课题组全年招聘优秀博士研究生，要求研究方向超级电容器，水系离子电池，电催化和自驱动微纳系统等。联系方式：wuxiang05@sut.edu.cn

邃瞳科学云征稿啦！

论文发表不是工作的结束，而是一个新阶段的开始。欢迎大家在邃瞳科学云平台上分享论文解读，为自己的学术代言。投稿请添加以下微信：

免费为实验室建账号啦！

邃瞳科学云APP实验室板块以文字、影像资料等方式多维展示实验室的实力和风采。一方面宣传推广实验室，一方面为实验室提供直播工具，方便线上组会、跨组跨区域互动。同时为实验室招生、招聘、匹配资源，实验室、课题组间互动提供方便。实验室入驻咨询请添加以下微信：

APP实验室板块介绍