1成果简介
本文，墨西哥蒙特雷科技大学Analuisa Rubalcaba-Medina等研究人员在《Energy Adv》期刊发表名为“Boosting hydrogen production with raspberry-derived carbon aerogels with in situ grown carbon nanotubes”的论文，研究探讨了以覆盆子果浆为原料制备的生物质碳气凝胶作为氢演化反应（HER）电催化剂的应用。利用可再生能源通过碱性水电解制取氢气，是缓解气候变化的有效途径；然而，在不依赖昂贵贵金属催化剂的情况下实现高效率，仍面临诸多挑战。
由过渡金属掺杂生物质制备的HER电催化剂，作为一种有前景、经济高效、耐久且可再生的替代材料，展现出广阔的应用前景。将添加了铁盐的冻干覆盆子果浆进行热解，制备出含有氧化铁纳米颗粒的碳气凝胶。随后利用这些纳米颗粒通过化学气相沉积法生长碳纳米管（CNTs），从而增强了HER活性：在-10 mA cm?2的电流密度下，过电位仅为408 mV，与不含CNTs的气凝胶相比，性能提升了30%。这表明我们的合成方法在催化应用中具有显著效果，且其灵活性意味着通过调节氧化铁纳米颗粒的性质以及碳气凝胶的三维互连多孔网络，效率还有进一步提升的空间。
2图文导读
图1、 Schematic illustration of the synthesis process of bio-based carbon aerogels.
图2.Schematic illustration of the thermal treatment of bio-based carbon aerogels.
图4、SEM images of bio-based carbon aerogels: (a) Rp + c + Fe-CVD, (b) and (c) Rp + cg + Fe-CVD, (d) Rp + c + Fe2-CVD, and (e) and (f) Rp + cg + Fe2-CVD.
图5、(a) BJH pore size distribution (PSD) of pyrolyzed aerogels. (b) Cumulative pore volume of pyrolyzed aerogels. (c) BJH PSD of CVD-modified aerogels. (d) Cumulative pore volume of CVD-modified aerogels. PSD curves were obtained from the desorption branch of the N2 sorption isotherms using the BJH method.
图6、Electrocatalytic performance towards the hydrogen evolution reaction of bio-based carbon aerogels. (a) Polarization curves and (b) Tafel slope of aerogels subjected to pyrolysis. (c) Polarization curves and (d) Tafel slope of aerogels subjected to CVD.
3小结
本研究证明了生物基碳气凝胶作为碱性环境下氢演化反应的高效、可持续电催化剂的潜力。我们以浸渍铁离子的覆盆子果浆为前驱体，合成了具有三维多孔结构的气凝胶，并在其表面通过化学气相沉积（CVD）法生长了碳纳米管（CNTs）。碳纳米管（CNTs）的引入显著提升了氢进化反应（HER）活性，其性能较不含纳米管的气凝胶提高了30%，在?10 mA cm?2时实现了408 mV的过电位。覆盆子果浆中的天然铁含量很可能促成了其气凝胶固有的HER活性，这凸显了生物基材料的催化潜力。尽管添加纤维素并未改善HER性能，但浸渍铁样品的BET比表面积减小表明，催化活性主要源于活性铁位点，而非比表面积的增加。
关于铁如何促进电催化活性的完整解释尚需进一步研究；尽管如此，本研究证明将其添加到生物质气凝胶中具有显著优势。与近期报道的生物质来源、过渡金属掺杂碳气凝胶相比，我们的铁基催化剂展现出具有竞争力的电催化性能（达到408 mV），同时兼具铁元素储量丰富、成本低廉及毒性较低的优势。这使铁基生物质气凝胶成为氢还原反应催化领域的可持续、高性能替代方案。碳纳米管（CNTs）的引入进一步增强了电子传输和活性位点的可及性，从而促进了活性提升。
总体而言，这些结果为制备高性能HER催化剂开辟了一条经济高效且环保的途径。可再生生物质前驱体、丰富的铁元素与纳米碳结构的结合，为未来催化剂设计提供了多功能平台，不仅适用于制氢，还可拓展至更广泛的电催化及可再生能源应用领域。
文献：
