“頂端優勢”應用於FC高催化活性氮摻雜碳納米管陣列合成

據Material Views網站報道：碳納米管陣列由於其優異的催化活性和自支撐結構被認為是一種燃料電池用低成本、高效率的催化電極。但是傳統的碳納米管電極的製備主要基於“自下而上”的方法，並且碳材料普遍具有疏水性，因此在作為陰極應用於燃料電池中，部分位於碳納米管陣列底端的活性位點無法與電解液、O₂等(deng)反(fan)應(ying)分(fen)子(zi)接(jie)觸(chu)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)部(bu)分(fen)活(huo)性(xing)位(wei)點(dian)的(de)孤(gu)立(li)，大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)碳(tan)納(na)米(mi)管(guan)陣(zhen)列(lie)的(de)催(cui)化(hua)效(xiao)率(lv)。眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi)
，在(zai)生(sheng)物(wu)學(xue)上(shang)
，植(zhi)物(wu)的(de)頂(ding)端(duan)的(de)生(sheng)長(chang)速(su)度(du)遠(yuan)大(da)於(yu)植(zhi)物(wu)的(de)莖(jing)和(he)杆(gan)的(de)生(sheng)長(chang)速(su)度(du)，主(zhu)要(yao)歸(gui)因(yin)於(yu)植(zhi)物(wu)的(de)頂(ding)端(duan)更(geng)能(neng)直(zhi)接(jie)接(jie)觸(chu)陽(yang)光(guang)並(bing)且(qie)充(chong)分(fen)地(di)參(can)與(yu)光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)。

在基於目前無法有效改變碳納米管表麵的疏水性能的前提條件下，受到以上生物學“頂端優勢”的啟發，近日中佛羅裏達大學的楊陽教授和牛文翰博士提出了一種利用仿生學上 “頂端優勢”的概念顯著提高碳納米管陣列電催化活性的方法合成了一種頂端包含有CoNihejinnamikelidetannamiguanzhenlie。zhezhongteshujiegoudetannamiguanzhenliejuyoufengfudehuoxingweidianzhuyaoweiyuqidingduan，zhexiecuihuahuoxingweidiankeyizhijiecanyuyanghaiyuan（ORR）和氧析出（OER）的三相反應，縮短了O₂, OH^–, e^–等傳質的傳輸距離
，有效地提高了碳納米管陣列的ORR和OER的催化活性。根據實驗表征和計算模擬
，研究人員發現碳納米管最頂端的單層碳原子的ORR催化活性遠高於碳管其它部位的催化活性
，主要歸結於CoNi納米顆粒與頂端的碳原子的直接接觸，從而造成單層碳原子的電子密度重新分布，影響其與-OOH和-OH等過渡分子的結合能。另外除了CoNi納米顆粒可以輔助提高碳納米管陣列的催化活性，氮摻雜碳活性位點也是作為該碳納米管陣列的主要活性來源之一。

考慮到實際應用
，這種“頂端優勢”結構的碳納米管陣列作為空氣電極在可充式扣試鋅空電池中實現了127 mW cm^-2的功率

、845 Wh kg^-1的能量密度和90小時充放電循環。該碳管陣列的生長方法以及“頂端優勢”概(gai)念(nian)為(wei)提(ti)高(gao)碳(tan)納(na)米(mi)材(cai)料(liao)電(dian)極(ji)在(zai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)，金(jin)屬(shu)空(kong)氣(qi)電(dian)池(chi)中(zhong)的(de)高(gao)效(xiao)應(ying)用(yong)提(ti)供(gong)了(le)新(xin)的(de)途(tu)徑(jing)。並(bing)且(qie)成(cheng)功(gong)地(di)解(jie)決(jue)了(le)由(you)於(yu)疏(shu)水(shui)性(xing)的(de)碳(tan)表(biao)麵(mian)而(er)造(zao)成(cheng)部(bu)分(fen)位(wei)於(yu)碳(tan)納(na)米(mi)管(guan)底(di)端(duan)活(huo)性(xing)位(wei)點(dian)被(bei)孤(gu)立(li)的(de)問(wen)題(ti)。而(er)且(qie)相(xiang)對(dui)於(yu)傳(chuan)統(tong)“自下而上”生長法製備的碳納米管陣列，這種具有“頂端優勢”的碳納米管電極在可充式鋅空電池中更具有高效性
、實用性以及拓展性。

相關工作在線發表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201800480）上。