Nano Res.│湖南大学费慧龙课题组：超快焦耳热技术用于合成多孔石墨烯基Co-N-C一体化催化剂

背景介绍

单原子催化剂（SAC）由于其独特的配位环境和最大化的原子利用效率而受到全世界的研究关注。石墨烯类碳材料由于其大的比表面积、优异的（电）化学稳定性和高导电性，成为优良的单原子载体材料。而杂原子（N、P、S等）掺杂可以进一步调控石墨烯的物理化学性质，从而为SAC提供丰富的锚定位点。金属-氮-碳材料（M-N-Cs）作为一类独特的SAC，被研究证明为电催化应用（特别是析氢反应）中最具潜力的贵金属材料替代物。然而，为了解决实际应用中面临的挑战，需要探索高效的M-N-C材料合成策略，从而进一步提高其电催化性能。

就M-N-Cs合成而言，高温热解处理是最广泛应用的一种实现石墨烯载体中金属和氮原子共掺杂的途径，但热解过程通常需要几十分钟到几小时，不仅耗时耗能，而且容易导致金属原子聚集。因此，亟需寻求一种简单、快捷、高效的技术手段来合成M-N-C材料。此外，传统的M-N-Cs多以粉末形式存在，因此在制备电催化电极的过程中不可避免地会引入聚合物粘结剂，这会阻碍传质并堵塞暴露的活性位点，从而导致催化性能变差。而构建自支撑整体式M-N-C电极则可以避免传统浆液基电极遇到的问题。此外，HER过程发生在固-液-气三相界面。因此，设计多孔结构的自支撑电极对于提高传质效率和M-N-C材料中活性中心的利用效率至关重要。

研究方法

通过对催化剂的形貌、孔结构表征，可以发现通过水热自组装技术成功合成具有交联多孔自支撑结构的整体式石墨烯基催化剂；对催化剂组成、化学态、原子结构分析，验证了2秒的焦耳热过程在实现氧化石墨烯还原的同时，也有利于金属原子在石墨烯载体上的快速分散和稳定存在。通过对催化剂进行电化学活性和稳定性测试，进一步验证催化剂的构效关系：多孔自支撑结构有利于析氢反应过程的高效物质传输，而催化剂中的原子级CoN_x位点具有较高的本征析氢活性。因此，通过焦耳热和水热自组装技术合成的Co-N-C整体式催化剂表现出优异的电催化活性和稳定性。

成果简介

湖南大学费慧龙课题组采用一种可实现瞬间高温加热和淬火的焦耳热技术，成功在石墨烯基底上合成具有三维多孔结构的单原子Co-N-C整体式催化剂（CoNG-JH）。2秒超快焦耳加热过程在使氧化石墨烯还原的同时，也实现了金属和氮原子共掺杂到石墨烯载体上。同时，瞬间淬火避免了长时间热处理引发的金属原子团聚，从而保证了石墨烯中原子级CoN_x活性中心的快速和稳定分散。此外，石墨烯片层自组装形成的交联大孔和纳米孔有助于电催化过程中的电解质渗透、离子扩散和气体传输。因此，CoNG-JH用作析氢反应电极时表现出较高的催化活性和稳定性，在0.5 M H₂SO₄电解液中具有106 mV的较低过电位（10 mA·cm^-2电流密度下）和66 mV·dec^-1的较小Tafel斜率。本文提出的合成和设计策略为单原子催化剂的制备开辟了一条简单、快捷、高效的途径。

图文导读

图1 多孔CoNG-JH整体式薄膜的制备流程和设计策略。

图2 催化剂的形貌、孔结构和组成表征。

图3 催化剂的组成、化学态和原子结构分析。

图4 催化剂的析氢活性和稳定性。

作者简介

费慧龙，湖南大学化学化工学院教授、化学生物传感与计量学国家重点实验室、先进催化教育部工程研究中心学术骨干、国家高层次人才计划入选者。费教授于2011年于中国地质大学（武汉）材料与化学学院获得学士学位；2015年于美国莱斯大学化学学院获得博士学位，师从世界著名化学家James Tour教授；随后于加州大学洛杉矶分校开展为期三年的博士后研究工作，合作导师是知名的化学家、材料学家段镶锋教授和黄昱教授。主要从事碳基纳米材料、低维纳米材料的可控制备及其在能源与环境催化中的基础应用研究，并取得了一系列突出的研究成果。近年来，共发表SCI论文50余篇，SCI引用8200余次，H因子为38，引用次数>100次论文11篇，单篇最高引用1050次。在石墨烯负载单原子催化剂的可控制备、结构解析、电催化应用领域开展了较为深入的研究，相关研究成果以第一作者身份发表在Nat. Catal., Nat. Commun., Adv. Mater., Chem. Soc. Rev.等国际权威期刊，被Nat. Energy，Science Daily，《科技日报》，《新华网》，《人民网》等国内外知名期刊和媒体报道与关注。

课题组介绍

课题组主页：http://www.feigroup.cn/。

文章信息

Lingli Xing, Rui Liu, Zhichao Gong, Jingjing Liu, Jianbin Liu, Haisheng Gong, Kang Huang, and Huilong Fei^*. Ultrafast Joule heating synthesis of hierarchically porous graphene-based Co-N-C single-atom monoliths. Nano Research

https://doi.org/10.1007/s12274-021-4046-z.