清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

【引言】

Li-CO2电池因为其比容量高、来源广泛受到了大家的广泛关注。同时Li-CO2电池利用CO2为正极材料,一方面提高了CO2捕获的经济性,另一方面可以减少CO2的积累。在能源存储和“碳中和”应用方面具有“一石二鸟”的效果。此外,火星的大气环境约95%是CO2,Li-CO2电池在未来的火星探测领域有着重要的应用前景。因此,开发高比容量、长循环、安全的Li-CO2电池具有特别重要的意义。


Li-CO2电池通过4Li + 3CO2 ↔ 2Li2CO3 + C反应来实现电能与化学能的转换。正极主要由催化剂组成,是CO2发生反应的场所,决定了电池的电化学性能。催化剂材料需要具备促进CO2还原(CO2RR)和CO2析出(CO2ER)的双重功能。石墨烯(G)具有高的比表面积、优良的导电性和高的电化学稳定性等优点,是一种潜在的Li-CO2电池催化剂材料。然而,石墨烯的电化学性能极大地受限于其低的催化活性和少的催化位点。对石墨烯进行杂原子掺杂已经被证实是一种有效改善其物理化学性质的策略。其中,N元素因为较大的电负性(3.04),能够有效调节碳原子的电荷分布,利用N掺杂可有效提高碳材料在Li-CO2电池中的电化学性能。


然而,在目前报道的N掺杂材料中,仍然有二个问题需要解决:

第一、N掺杂会降低碳材料的导电性,一般N掺杂量越高,催化位点数量提升越明显,但导电性也显著降低,这两者的矛盾目前无法通过N掺杂的设计来改善;


第二、N掺杂存在三种主要形式:吡啶N、吡咯N和石墨N。目前N掺杂构型在Li-CO2电池中的活性计算与设计仍然缺乏;


因此,构建具有良好导电性、高活性位点和高含量位点的理想的氮掺杂石墨烯(NG)催化剂材料,以及揭示N掺杂对CO2的催化作用仍是重要的挑战。


【成果简介】

近日,清华大学深圳国际研究生院的成会明院士、周光敏邹小龙团队利用CO2活化制备氮掺杂石墨烯负载还原氧化石墨烯催化剂(CA-NG/RGO)来促进CO2的可逆转化,并揭示其作用机理。理论计算发现:吡啶N和吡咯N对CO2RR和CO2ER的催化活性明显优于石墨N和石墨烯。根据理论指导,本文利用CO2活化NG前驱体,刻蚀的缺陷位点有利于形成吡啶N和吡咯N位点,新增的缺陷也有利于得到高含量位点。为了进一步提高NG导电性,引入了RGO基底。因此,制备的CA-NG/RGO同时具有良好导电性、高活性吡咯/吡咯N和高含量吡咯/吡咯N,是一种理想的NG催化剂。理论计算结合非原位表征证实了CA-NG/RGO催化剂在Li-CO2电池中获得了高度可逆的转换反应。基于此,与NG和NG/RGO催化剂相比,CA-NG/RGO呈现出更优异的循环和倍率性能。该工作发表在国际著名期刊ACS Nano上。


【核心内容】

如图1所示,通过构建石墨烯, 石墨N, 吡啶N和吡咯N四个模型,比较它们与CO2, Li 和 Li2CO3的吸附作用,发现吡啶N和吡咯N对三者的吸附作用明显强于石墨烯和石墨N,极大促进了CO2还原的反应动力。同时吡啶N和吡咯N对Li2CO3的分解能垒明显小于石墨烯是石墨N,促进了CO2析出的动力学。因此吡啶N和吡咯N被选做了潜在的理想催化剂载体。


随后,如图2所示,通过CO2活化法制备高含量的吡啶N和吡咯N,在高温形成NG的过程中,CO2能刻蚀前驱体,得到有利于形成吡啶N和吡咯N的缺陷位点。同时,在制备过程中将含NG前驱体负载在GO表面,最终制备了高含量的高活性吡啶N和吡咯N的CA-NG/RGO催化剂。作为对比,通过控制煅烧气氛(CO2,Ar)和载体(GO或无),制备了NG和NG/RGO对比样。XPS表征证实CA-NG/RGO中含有高含量的吡啶N和吡咯N(72.65%)。并且,CA-NG/RGO中总的N含量也最高(4.29%).


将制备的三种材料作为Li-CO2电池正极催化剂,如图3所示,CA-NG/RGO呈现出CO2RR和CO2ER动力和库伦效率。同时,CA-NG/RGO最佳的循环和倍率性能。证实了CA-NG/RGO在Li-CO2电池中优异的催化性能。原位和非原位电化学表征(图4)证实了Li-CO2电池的反应机理:4Li + 3CO2 ↔ 2Li2CO3 + C,并且呈现出高度可逆的Li2CO3形成和分解作用。


综上,如图5所示,传统NG催化剂因为弱的导电性和少的高含量活性位点,在CO2RR中形核位点少、Li2CO3颗粒大,进一步减低了CO2ER动力,Li2CO3无法可逆分解。NG/RGO的导电性良好,但是仍然缺少高含量活性位点。CO2RR和CO2ER动力有所提高,但是其较弱的催化活性仍然限制了其可逆反应。CA-NG/RGO催化剂同时具备良好的导电性和高含量活性位点,呈现出高度可逆的催化活性。

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

图1. 理论指导筛选NG催化剂载体中高活性位点的N构型(吡啶N,吡咯N和石墨N)。

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

图2. NG, NG/RGO和CA-NG/RGO的制备示意图及N掺杂表征。

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

图3. NG, NG/RGO和CA-NG/RGO的电化学性能。

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

图4. CA-NG/RGO催化作用原位和的非原位表征。

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

图5. NG, NG/RGO和CA-NG/RGO催化CO2还原和析出的作用示意图。


结论与展望

(1)理论计算指导氮掺杂石墨烯催化剂的原子结构设计;

(2)CO2诱导高效NG催化剂制备;

(3)本工作利用理论指导Li-CO2电池催化活性位点设计,并利用CO2活化制备高活性催化剂的研究思路,拓宽了Li-CO2电池催化剂的设计和制备。


Biao Chen, Dashuai Wang, Biao Zhang, Xiongwei Zhong, Yingqi Liu, Jinzhi Sheng, Qi Zhang, Xiaolong Zou*, Guangmin Zhou*, and Hui-Ming Cheng*. Engineering the Active Sites of Graphene Catalyst: From CO2 Activation to Activate Li-CO2 Batteries, ACS Nano, 2021, https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00756

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c00756


橡树岭国家实验室今日Nature Materials: 枝晶穿透固态电解质新见解!

2021-06-01

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

今日Nat. Mater.:高效单原子OER催化剂新载体-廉价耐用的碳化钨

2021-06-01

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

同济大学马吉伟/黄云辉/马普所Zhiwei Hu:通过结构转变构筑高效催化剂

2021-06-01

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

双金属位点修饰的柔性碳纳米纤维膜的制备及锌空气电池应用研究

2021-06-01

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

月初Nature,月底Nature综述:看William C. Chueh教授对电化学离子嵌入的理解

2021-05-31

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

港城大支春义教授:调控阴离子插层行为构建水系高压双离子电池

2021-05-31

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

清华大学欧阳明高,伍晖,冯旭宁:复合超薄抑火盾抑制动力电池组热失控蔓延

2021-05-31

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

李爽,程冲,杨伟教授Adv. Mater.:设计用于金属-硫电池的金属有机框架材料

2021-05-31

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

Joule:电池在应对太瓦级光伏挑战中应该扮演什么角色?

2021-05-30

清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去


清华大学:氮掺杂石墨烯催化剂,从CO2中来,到Li-CO2电池中去

本文由能源学人编辑liuqiwan发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/50578.html

参考文献: