近期，我室基于结构工程和电子工程一体化策略，设计了一种废弃三聚氰胺泡沫衍生的氮氧掺杂无金属碳泡沫，其可作为电解水析氧反应催化剂，该材料具有优异的催化活性和稳定性，超过了目前已报道的无金属碳材料和商用RuO2。该工作近期发表在《Chemical Engineering Journal》上，第一作者为本室2021级博士研究生谢阳洋，通讯作者为吴刚教授和陈思翀教授。
【研究背景】
双碳背景下，开发新型清洁可再生能源对实现碳达峰、碳中和目标十分重要。析氧反应（OER）在可再生能源存储和转换技术中发挥着关键作用，如燃料电池、金属空气电池和电解水制氢系统。近年来，无金属碳材料因其成本低、结构可调、稳定性好和导电性高等优点，被认为是贵金属基OER电催化剂最有前途的替代者之一。然而，受本征活性差和活性中心不足的限制，现有无金属碳材料OER催化剂至少需要300 mV以上的过电位才可达到10 mA cm-2的电流密度。因此，碳基无金属催化剂要达到可媲美贵金属基催化剂的优异OER催化活性，仍然面临巨大的挑战。
【主要内容】
这项工作基于结构工程和电子工程的一体化策略，通过对废弃的三聚氰胺甲醛泡沫进行碱活化和预氧化辅助可控碳化，制备了具有多尺度孔隙的氮氧掺杂无金属碳泡沫（2-N-O-C）。由于2-N-O-C特殊的微观结构、化学组成和电子结构，其作为OER催化剂在10 mA cm-2时显示出186 mV的超低过电位，塔菲尔斜率低至71 mV dec-1，在达到20 mA cm−2的电位下测试50 h后电流密度仅衰减4 %。
图1 2-N-O-C的制备流程图
图2 2-N-O-C的析氧（OER）电催化性能
DFT密度泛函理论计算表明，N和O的合理掺杂可以优化2-N-O-C对氧中间产物的吸附能力，并降低速率决定步骤的能量屏障（2.78 eV到1.78 eV），使其本征OER催化活性显著提高。
图3 2-N-O-C的理论计算及析氧反应机理分析
此外，2-N-O-C‖Pt/C电解槽仅需在1.47 V的外加电压下即可驱动产生10 mA cm−2的电流密度，并实现稳定的全解水。这项工作为设计低成本、环保的无金属碳基电催化剂提供了思路。
图4 2-N-O-C的全解水应用研究
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138063
