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山東大學侯士峰教授團隊在石墨烯柔性電極催化劑領域取得進展

柔性電子產品由於其輕便、可攜帶以及可折疊的性能引起廣泛關注。近幾年,柔性電源設備應運而生,發展勢頭迅猛,越來越受到人們關注。柔性儲能設備被廣泛用於超級電容器、可充電電池以及太陽能電池。

柔性燃料電池一般情況下使用粘結劑將高活性催化劑負載至柔性載體,但是粘結劑導電性差,將導致電解液和催化活性位點的接觸麵積減少而降低催化劑的催化性能。研究者嚐試將高活性催化劑無需使用粘結劑負載至柔性載體且以製備柔性燃料電池,然而迄今為止鮮有報道。

此外由於較高比表麵積、良好導電性、優異機械強度以及柔韌性等特點,石墨烯膜作為一種柔性且導電載體材料可用於可攜帶柔性電子器件的電極材料。但是製備具有較高比表麵積和優異導電性的石墨烯柔性自支撐膜的方法繁瑣、成本較高從而局限其實際應用。

為此,侯士峰教授團隊以聚苯乙烯微球作為模板製備3D多孔自支撐柔性膜材料(e-RGO-SWCNT)作為載體負載催化劑和集流體,研究醇類燃料電池電催化性能。研究表明,3D多孔自支撐柔性膜材料(e-RGO-SWCNT)在不同狀態(伸展、折疊和扭曲狀態)下的電催化性能幾乎不變。

其中,采用聚苯乙烯微球 (PS) 作為模板,製備出高比表麵積、高導電性的 3D 多孔石墨烯(RGO)/單壁碳納米管(SWCNTs)自支撐柔性膜材料 (e-RGO-SWCNT)。PS 用於形成規則多孔石墨烯(e-RGO),SWCNTs 貫通 e-RGO 形成柔性導電膜。自支撐柔性膜材料 (e-RGO-SWCNT)可負載 Pt 納米粒子,形成 Pt/e-RGO-SWCNT。相對於同類催化劑,表現出更高的電催化活性和甲醇氧化耐久性。

為了研究催化劑的實際應用,驗證了 Pt/e-RGO-SWCNT(0.6) 處於不同彎曲狀態(如折疊,螺旋)的催化能力。當膜材料經過折疊和螺旋後,相對於未彎曲狀態的膜,彎曲狀態下的膜電催化氧化甲醇活性僅略有降低。該結果表明 Pt/e-RGO-SWCNT(0.6) 膜可以作為一種柔性可折疊電極材料,在可穿戴設備中具有應用潛力。

自支撐柔性膜材料(e-RGO-SWCNT)作為載體負載 Pt 納米粒子用於甲醇催化性能表現出較高的電化學活性麵積。Pt/e-RGO-SWCNT自支撐膜膜材料可作為一種性能優異的柔性電極材料,其催化性能不受膜材料折疊的影響,由於不需要外加電極或集流體,這為其在柔性燃料電池應用提供了可能。

該工作得到了國家自然科學基金(21475076)和山東大學分析測試中心的支持。

侯士峰教授團隊研究領域集中於碳納米材料、金屬納米材料、表麵修飾、電分析化學、傳感器領域基礎研究與應用開發,目前主要從事能源、環境、化學傳感器,智能穿戴、裝備與製造領域的納米材料研究在相關產業化應用領域處於國內外領先水平。