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超声快速合成贵金属气凝胶用于电催化反应

邃瞳科学云

2021-10-14

导读：本文提出了一种简便、环保的、超快合成贵金属气凝胶的方法。在超声波的空化作用下，加热和搅拌产生巨大的能量，还原剂NaBH4和超声波共同作用于凝胶过程，使凝胶反应快速进行，甚至可以在几秒钟内完成，这在所有

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第一作者：袁悦悦

通讯作者：王磊、赖建平

通讯单位：青岛科技大学

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.cclet.2021.09.104

全文速览

贵金属气凝胶（NMAs）属于多孔材料，它具有优异的催化性能。虽然合成方法在不断改进，但仍存在贵金属前驱体浓度高、合成周期长、生产成本高、韧带长度不可控等问题，这些有碍于贵金属气凝胶的进一步发展与应用。在这项工作中，采用了超声波和还原剂NaBH₄同时作用于凝胶过程。由于超声波的空化作用，加热和搅拌可以产生巨大的能量，凝胶化反应进行得很快，甚至在几秒钟内就能完成，比其他文献报道的要快得多。此外，将该方法扩展到多种贵金属元素（Au、Ru、Rh、Ag、Pt、Pd），适用于制备单金属气凝胶（Au、Ag、Ru、Rh、Pd），双金属气凝胶和三金属气凝胶（Au-Ag、Au-Rh、Au-Ru、Au-Pt、Au-Pd、Au-Pt-Pd）。另外，合金气凝胶的韧带尺寸在10 nm左右甚至更小。在析氢反应（HER）和乙醇氧化反应（EOR）中表现出优异的性能。

背景介绍

随着社会的进步和发展，化石燃料逐渐枯竭，环境问题日益严重，能源转换问题亟待解决。在此背景下，电催化逐渐发展起来，其中多孔材料因其特殊的结构和优异的催化活性引起了研究者们的广泛关注。气凝胶作为一种新型多孔材料，密度低，比表面积大，而贵金属气凝胶虽然成本较高，但在许多领域仍发挥着不可替代的作用。例如，它们在能源和环境的催化反应中具有优异的性能。贵金属气凝胶（NMAs）具有泡沫的一些特性，如自支撑的三维（3D）网络和整体结构、大的比表面积、高孔隙率能暴露更多的活性中心。此外，它们还具有贵金属独特的物理化学性质，有利于电子在通道中快速转移，有优异的催化性能。因此，它们越来越受到研究者的关注，并应用于许多领域，特别是在电催化领域有着广阔的应用前景。

图文解析

图1. 用超声方法合成和表征Au (c_M=2 mmol/L) 气凝胶。(a-d) 不同时间下Au凝胶化过程的图片（反应时间为50 s）。(e-g) 金气凝胶对应时间为20 s、35 s和50 s的TEM图像。(h) Au气凝胶的X射线衍射谱。(i) UV-vis吸收光谱。

图2. 不同超声功率下对Au气凝胶的表征。(a-c) 不同功率 (340 W、670 W、840 W) 下Au气凝胶的SEM图像。(d-f) 分别在340 W、670 W、840 W功率下Au气凝胶的TEM图像。

图3. (a, d) Au-Rh，Au-Pt-Pd的图片；(b, e) Au-Rh，Au-Pt-Pd的TEM图像；(c, f) Au-Rh，Au-Pt-Pd的SEM图像；(g-h) 单金属气凝胶和合金气凝胶的韧带尺寸图。

图4. (a-c) HER在1.0 mol/L KOH中的电催化性能。(a) 扫描速率为5 mV/s的LSV曲线；(b) Tafel曲线图；(c) 1.0 mol/L KOH溶液中12 h的i-t曲线。(d-f) 乙醇氧化的电催化性能。(d) 扫描速率为50 mV/s的CV曲线。(e) I_f和I_f/I_b。(f) 各种气凝胶催化剂在1.0 mol/L KOH+1.0mol/L乙醇溶液中12 h的i-t曲线。

总结与展望

综上所述，我们提出了一种简便、环保的、超快合成贵金属气凝胶的方法。在超声波的空化作用下，加热和搅拌产生巨大的能量，还原剂NaBH₄和超声波共同作用于凝胶过程，使凝胶反应快速进行，甚至可以在几秒钟内完成，这在所有报道的文献中是最好的。这种方法适用于较宽的浓度范围（0.02 mmol/L~62.5 mmol/L），同时可制备单金属气凝胶(Au、Ag、Ru、Rh、Pd)、双金属和三金属气凝胶(Au-Ag、Au-Rh、Au-Ru、Au-Pt、Au-Pd、Au-Pt-Pd)，且合金气凝胶的韧带尺寸在10 nm以下。另外还验证了它们在HER和EOR中优异的电催化性能。以上表明，这种快速有效的合成方法有利于其在电催化领域的进一步应用。

文献来源

Yuan, Y., Zhao, H., Xv, W. et al. Noble metal aerogels rapidly synthesized by ultrasound for electrocatalytic reaction. Chinese Chem. Lett., (2021). https://doi.org/10.1016/j.cclet.2021.09.104

通讯作者介绍

赖建平教授，2019年以高层次引进到青岛科技大学化学与分子工程学院，教授，博导，泰山学者青年专家，山东省优秀青年基金获得者。近五年发表SCI论文60余篇，其中以通讯作者和第一作者身份在 Nat. Commun.（2）、Chem、 Joule、 ACS Cent. Sci.、Energy Environ. Sci.（2）、 Adv. Mater.、 Adv. Energy Mater.（2）、Adv. Funct. Mater.（3）、Nano Today、 Nano Lett.、Cell Reports Phys. Sci.、 Electrochem. Energy Rev.、Appl. Catal. B: Environ.（3）、 Small（3）、 J. Mater. Chem. A（8）等国际著名期刊上发表SCI论文三十余篇。授权国内发明专利两项。主持科研项目包括山东省泰山学者人才工程计划项目、山东省优秀青年基金、国家青年基金等项目。

王磊 教授，山东省杰青，泰山学者青年专家，青岛科技大学崂山学者，博士生导师, 青岛科技大学环境与安全工程学院院长。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室。长期从事绿色能源和多孔催化相关领域研究，已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Enery Mater., Energy Storage Mater., Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., Science.China.Chem.、中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文二百余篇, 其中通讯作者影响因子大于10.0的论文六十余篇。主持国家级和省部级项目十余项，获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共六项。