蠶絲的華麗轉(zhuǎn)身：具有優(yōu)異電催化活性的多孔碳納米片

含有邊緣/缺陷和Me-Nx-C（過(guò)渡金屬-氮-碳）結(jié)構(gòu)的納米碳材料往往表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化氧反應(yīng)活性。而如何通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)便的制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)在納米碳材料中引入豐富的邊緣/缺陷結(jié)構(gòu)和原子級(jí)分散的Me-Nx-C活性位點(diǎn)，是高性能能源器件發(fā)展研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。蠶絲，作為一種天然的蛋白材料，具有本征富氮的特點(diǎn)，它可通過(guò)簡(jiǎn)便的高溫?zé)崽幚磙D(zhuǎn)化為本征氮摻雜的碳材料。其中，蠶絲的主要成分絲素蛋白可溶解為溶液，冷凍干燥后形成再生絲素蛋白泡沫。

基于課題組豐富的蠶絲基碳材料研究經(jīng)驗(yàn)，清華大學(xué)化學(xué)系張瑩瑩團(tuán)隊(duì)以氯化鐵和氯化鋅溶液溶解的絲素蛋白為原料，經(jīng)高溫?zé)崽幚?，制備了具有原子?jí)分散Fe-Nx-C位點(diǎn)的多孔碳納米片。該策略的設(shè)計(jì)思路主要包括三點(diǎn)：（1）絲素蛋白分子鏈中的疏水和親水鏈段在溶液中自組裝，從而使得再生絲素蛋白中具有二維納米片結(jié)構(gòu)，在熱解過(guò)程中轉(zhuǎn)化為氮摻雜的碳納米片；（2）鐵離子與氨基之間的強(qiáng)相互作用，將鐵離子錨釘于再生絲素蛋白骨架，有助于二維碳骨架中原子級(jí)分散Fe-Nx-C的形成，且熱解過(guò)程中還原性鐵組分的形成則可促進(jìn)納米碳的石墨化；（3）氯化鋅作活化劑，在碳納米片上刻蝕出納米孔，從而形成較大的比表面積。所制備得到的多孔碳納米片具有很高的比表面積（～2105m2/g）和原子級(jí)分散的Fe-Nx-C位點(diǎn)。由于其豐富的納米孔結(jié)構(gòu)、極高的比表面積以及原子級(jí)分散的Fe-Nx-C結(jié)構(gòu)，該多孔納米碳不但表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)Pt/C電催化劑的氧還原反應(yīng)（ORR）電催化活性（其ORR半波電位為0.853V，Tafel斜率為61.4mV/dec；Pt/C催化劑的半波電位為0.834V，Tafel斜率為78.0mV/dec），而且表現(xiàn)出極高的循環(huán)穩(wěn)定性（經(jīng)過(guò)5000圈和30，000圈循環(huán)測(cè)試，其半波電位僅降低3mV和11mV；而Pt/C催化劑經(jīng)過(guò)5000圈循環(huán)測(cè)試后，半波電位降低47mV）。

該工作提出的以蠶絲蛋白為原料構(gòu)筑原子級(jí)分散Fe-Nx-C多孔納米碳的策略，為高活性高穩(wěn)定性的氧反應(yīng)電催化劑的制備提供了新思路，有助于促進(jìn)相關(guān)新能源器件的發(fā)展。