【解读】Adv. Funct. Mater.:原位瞬态合成高稳定性碳纤维/碳化硅纳米线电催化剂载体

学术   2024-12-02 08:15   广东  
催化剂载体在清洁能源转换、气体传感和化学工业中的异质催化过程中发挥着至关重要的作用。随着催化剂尺寸的纳米化甚至单原子化,为了提高原子利用效率,各种载体材料如氧化物、碳、碳化物和钙钛矿被开发用于分散和稳定催化剂。特别是碳质载体,例如碳黑、碳纳米纤维和石墨烯,因其高电导率和化学稳定性,在电催化中尤为受到青睐。然而,碳载体在高温、高电位或强酸/碱性环境下易受氧化和腐蚀,影响催化剂的活性和稳定性。尽管通过提高石墨化程度、二氧化硅涂层或碳化物装饰等方法进行了一定程度的保护,但在极端条件下实现碳载体的长期稳定仍具有挑战性。硅化碳(SiC)因其卓越的结构和化学稳定性而被视为一种有前景的保护材料,但其与碳载体的强界面结合和纳米尺度下的均匀分散仍是当前研究的难点。





论文概要


在本研究中,华中科技大学姚永刚教授、宋波教授&中国科学院宁波材料技术与工程研究所黄庆教授等人在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Transient and in situ Growth of Nanostructured SiC on Carbon Fibers toward Highly Durable Catalysis”的论文。本文提出了一种冲击波型瞬态加热技术,通过设计超过1750°C的高温脉冲(每脉冲持续1秒)来控制性地在碳纤维上生长共形SiC涂层和大量SiC纳米线(记作CF/SiC-NW),为苛刻环境下的催化反应提供了高比表面积和持久的支撑。瞬态加热过程中,SiO蒸气触发了碳表面向无缝SiC保护层的原位转变,随后的快速冷却对自组装SiC纳米线的生长至关重要。CF/SiC-NW在高温空气中、经过2000次电化学应力后的浓酸/碱溶液中,以及连续操作10小时的氧气发生反应中,都展现出了卓越的结构稳定性。这一策略不仅实现了难熔碳化物的精细结构控制,而且对于各种碳/碳化物功能材料(例如C/TiC、C/WC)在苛刻条件下的电催化或电气催化具有普适性。相关文章以“Transient and in situ Growth of Nanostructured SiC on Carbon Fibers toward Highly Durable Catalysis”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。




图文导读


本研究通过原位瞬态合成技术,成功制备了一种新型的催化剂载体——碳纤维/硅化碳纳米线复合材料(CF/SiC-NW),该材料具备优异的耐久性,能够有效地在严苛环境下进行催化反应。通过瞬态加热至超过1750°C并持续1秒的脉冲,实现了在碳纤维上的共形SiC涂层和大量SiC纳米线的可控生长,从而显著提升了催化剂载体的表面积和耐久性。图1展示了CF/SiC-NW的制备过程、形态和抗氧化性能,证明了其在高温空气、强酸/碱溶液中的出色稳定性,以及与裸碳纤维(CF)相比更高的起始氧化温度。


进一步地,我们通过瞬态加热法合成的CF/SiC-NW,不仅在结构稳定性和电荷转移方面展现出优势,还通过在SiC纳米线上负载铱(Ir)纳米粒子(CF/SiC-NW@Ir),显著提高了其在氧气发生反应(OER)中的循环稳定性。图2详细描绘了CF/SiC-NW和CF/SiC-NW@Ir的合成过程和形貌演变,以及通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)对其组成和结构演变的分析。


此外,我们通过改变合成温度和时间,研究了SiC生长的热力学和动力学,揭示了SiC纳米线生长机制。图3展示了在不同条件下CF与SiO反应的扫描电镜(SEM)图像,以及SiC纳米线生长机制的示意图。


为了评估CF/SiC-NW的稳定性,我们进行了加速应力测试(AST),并在0.5 M H2SO4和1 M KOH溶液中通过循环伏安法(CV)进行了测试。图4展示了测试期间记录的中间CV图和ECSA随CV周期数增加的比率,证明了CF/SiC-NW在酸性和碱性条件下均展现出比裸CF更好的耐腐蚀性。


最后,为了展示CF/SiC-NW@Ir作为电化学OER催化剂的潜力,我们进行了线性扫描伏安法(LSV)测试,并分析了其在OER中的电化学性能。图5展示了CF/SiC-NW@Ir和CF@Ir电极的OER极化曲线、Tafel斜率、双电层电容的估算以及电化学阻抗谱(EIS)曲线,证明了CF/SiC-NW@Ir在碱性溶液中的长期稳定性和出色的耐久性。



总结展望


总之,本研究成功实现了一种原位瞬态合成碳纤维/碳化硅纳米线(CF/SiC-NW)的方法,该材料具有高耐腐蚀性和氧化性以及良好的电导率,能够在恶劣的催化环境下,如空气中的高温和高浓度酸碱电解质中,保持强大的结构稳定性。通过精确控制瞬态加热过程(如温度、开启时间和脉冲数量),可以选择性地在碳纤维表面通过低温(>1750°C)成核形成SiC涂层层,或在高温(>2000°C)下在预成核层上生长装饰有SiC纳米线的碳纤维。此外,CF/SiC-NW通过负载铱(Ir)纳米颗粒,作为耐用的电催化剂载体,在1M KOH电解液中经过高电位极化后显示出比CF@Ir显著增强的稳定性。得益于原位合成和超短反应时间,这一策略为制造各种纳米结构碳化物/碳复合材料提供了一种通用且高效的方法,解决了超高形成温度对传统化学合成的挑战。










文献信息:Hao Zhang; Qin Ouyang; Lanlan Yu; Rong Hu; Jun Wan; Bo Song; Qing Huang; Yonggang Yao. Transient and in situ Growth of Nanostructured SiC on Carbon Fibers toward Highly Durable Catalysis. Advanced Functional Materials., 2023.

DOI: 10.1002/adfm.202301375



超快高温焦耳热冲击技术推广



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超快高温焦耳热冲击技术介绍

      焦耳高温加热技术,特别是闪蒸焦耳热快速焦耳热技术,是材料科学领域的一项重大革新。凭借其无与伦比的加热速度精确的温度控制,这项技术为材料制备和性能研究带来了全新的视角
该技术基于焦耳定律,通过大电流产生的电阻热,在极短时间内实现材料的快速升温,甚至能在1秒内将材料加热至3000-4000℃的高温。这种极速的温度变化为材料制备和处理提供了前所未有的可能性焦耳高温加热技术显著超越了传统加热方法,如马弗炉和管式炉,其加热速度之快,远非传统加热设备所能比拟。

马弗炉、管式炉升温装置VS焦耳热升温装置

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焦耳高温热冲击装置

     焦耳高温热冲击材料制备装置可实现毫秒级别升温和降温,能达到1秒内升温至3000K的效果,试验样品可以是薄膜、块体、粉末等。对比现在常用的马弗炉、管式炉升温慢、加热时间长等缺点,极大地节约了科研人员宝贵的科研时间,并且会有与马弗炉和管式炉不同的冲击效果。该装置可抽真空或者是通氛围气体使用,还可以根据要求进行定制。公司致力于实验室(超)高温解决方案。目前我公司设备已广泛应用于能源催化材料、石墨烯等二维材料、高熵化合物、陶瓷材料等材料的超快速高质量制备。


1)焦耳加热装置标准版



2)焦耳加热装置通量定制版


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应用成果

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  • Ultrarapid Nanomanufacturing of High‐Quality Bimetallic Anode Library toward Stable Potassium‐Ion Storage. Angewandte Chemie., 2023. DOI: 10.1002/anie.202303600

  • Ultrafast Non-Equilibrium Phase Transition Induced Twin Boundaries of Spinel Lithium Manganate, Advanced Energy Materials 2023.  DOI: 10.1002/aenm.202302484

  • High-temperature shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles for catalysis. Chinese Journal of Catalysis, 2023. DIO: https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64428-6.

  • Rapid High-Temperature Liquid Shock Synthesis of High-Entropy Alloys for Hydrogen Evolution Reaction. ACS nano., 2024. DOI: 10.1021/acsnano.3c07703

  • Rapid, in Situ Synthesis of High Capacity Battery Anodes through High Temperature Radiation-Based Thermal Shock. Nano Letter 2016, 16 (9), 5553-5558. DOI:10. 1021/acs.nanolett.6b02096.

  • High-Temperature Shock Enabled Nanomanufacturing for Energy-Related Applications. Advanced Energy Materials 2020, 10 (33), DOI: 10. 1002/aenm.202001331.

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