生物学上的“顶端优势”在合成高催化活性的氮掺杂碳纳米管阵列中的应用

xiayu

碳纳米管阵列由于其优异的催化活性和自支撑结构被认为是一种燃料电池用低成本、高效率的催化电极。但是传统的碳纳米管电极的制备主要基于“自下而上”的方法，并且碳材料普遍具有疏水性，因此在作为阴极应用于燃料电池中，部分位于碳纳米管阵列底端的活性位点无法与电解液，O2等反应分子接触，从而导致部分活性位点的孤立，大大降低了碳纳米管阵列的催化效率。众所周知，在生物学上，植物的顶端的生长速度远大于植物的茎和杆的生长速度，主要归因于植物的顶端更能直接接触阳光并且充分地参与光合作用。

在基于目前无法有效改变碳纳米管表面的疏水性能的前提条件下，受到以上生物学“顶端优势”的启发，中佛罗里达大学的杨阳教授和牛文翰博士提出了一种利用仿生学上 “顶端优势”的概念显著提高碳纳米管阵列电催化活性的方法合成了一种顶端包含有CoNi合金纳米颗粒的碳纳米管阵列。这种特殊结构的碳纳米管阵列具有丰富的活性位点主要位于其顶端，这些催化活性位点可以直接参与氧还原（ORR）和氧析出（OER）的三相反应，缩短了O2, OH–, e–等传质的传输距离，有效地提高了碳纳米管阵列的ORR和OER的催化活性。根据实验表征和计算模拟，研究人员发现碳纳米管最顶端的单层碳原子的ORR催化活性远高于碳管其它部位的催化活性，主要归结于CoNi纳米颗粒与顶端的碳原子的直接接触，从而造成单层碳原子的电子密度重新分布，影响其与-OOH和-OH等过渡分子的结合能。另外除了CoNi纳米颗粒可以辅助提高碳纳米管阵列的催化活性，氮掺杂碳活性位点也是作为该碳纳米管阵列的主要活性来源之一。考虑到实际应用，这种“顶端优势”结构的碳纳米管阵列作为空气电极在可充式扣试锌空电池中实现了127 mW cm-2的功率、845 Wh kg-1的能量密度和90小时充放电循环。该碳管阵列的生长方法以及“顶端优势”概念为提高碳纳米材料电极在燃料电池，金属空气电池中的高效应用提供了新的途径。并且成功地解决了由于疏水性的碳表面而造成部分位于碳纳米管底端活性位点被孤立的问题。而且相对于传统“自下而上”生长法制备的碳纳米管阵列，这种具有“顶端优势”的碳纳米管电极在可充式锌空电池中更具有高效性、实用性以及拓展性。

相关工作在线发表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201800480）上。