石墨烯-纳米纤维杂化碳复合材料支撑钽氧化物双功能氧还原/析出催化剂活性提升机制研究

为解决可再生能源存储与转换中双功能氧电极催化剂活性不足的问题，研究人员通过构建石墨烯(GO)与碳纳米纤维(CNF)杂化载体，负载钽氧化物(TaOx)开展ORR/OER双功能催化研究。结果表明，CNF含量20%-75%的复合材料使比表面积提升5倍，TaOx/rGO-CNF1.0催化剂在碱性条件下表现出优异的ORR活性(过电位509 mV)和稳定性，为金属-空气电池等器件开发提供新策略。

　　

能源转换技术面临的核心挑战在于开发高效稳定的双功能氧电极催化剂。当前贵金属基催化剂虽性能优异，但成本高昂且稳定性差，而过渡金属氧化物又普遍存在导电性差、活性位点不足等问题。钽(Ta)基材料因其独特的电子结构和耐腐蚀性被视为潜在替代品，但如何通过载体设计提升其催化活性仍是未解难题。

为解决这一瓶颈问题，国内研究人员在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表研究，创新性地采用石墨烯(rGO)与碳纳米纤维(CNF)构建三维杂化载体，通过精确调控CNF生长时间(0.5-2小时)获得不同组成的复合材料，并负载钽氧化物制备TaO_x/rGO-CNF系列催化剂。研究团队运用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)解析材料结构，通过旋转环盘电极(RRDE)测试评估ORR/OER性能，并采用计时电位法考察稳定性。

3.1 碳复合材料物化特性表征
TEM显示CNF以直径20 nm的纤维状结构穿插于石墨烯层间，有效抑制rGO堆叠。热重分析证实CNF含量从20%增至74%时，复合材料氧化温度从544℃升至648℃。氮气吸附测试表明rGO-CNF0.5比表面积达496.4 m²/g，较纯rGO提升5倍，归因于CNF的"间隔效应"。

3.2 钽基催化剂物化性质
ICP检测显示Ta负载量6-11 wt.%，XPS证实钽以+5价态为主。XRD揭示载体影响活性相组成：rGO富集相促进钠钽酸盐(Na₂Ta₈O₂₁)形成，而CNF富集相利于Ta₂O₅生成。TEM显示TaO_x纳米颗粒均匀分布，平均尺寸5 nm。

3.3 氧还原反应活性
线性扫描伏安测试显示TaO_x/rGO-CNF0.5具有最佳ORR活性，起始电位0.82 V vs RHE，过电位较纯rGO载体降低80 mV。塔菲尔斜率约60 mV/dec，表明水解吸附氧为决速步。

3.4 氧析出反应活性
rGO-CNF1.0支撑催化剂在1.65 V时氧效率达60%，塔菲尔斜率68 mV/dec，显示载体中CNF可抑制碳氧化副反应。

3.5 耐久性与双功能性
经过180分钟循环测试，TaO_x/rGO-CNF1.0保持ORR电位0.54-0.58 V，OER电位1.59-1.61 V，证实其优异稳定性。

该研究通过精准设计"石墨烯-纳米纤维"三维导电网络，不仅解决了石墨烯易堆叠的固有缺陷，还实现了钽氧化物活性相的优化分布。特别值得注意的是，钠钽酸盐与Ta₂O₅的协同作用被证实是提升ORR活性的关键，而CNF的引入显著增强了载体在OER条件下的抗氧化能力。这种"载体工程"策略为开发非贵金属双功能催化剂提供了新思路，对推动金属-空气电池等清洁能源器件的发展具有重要实践意义。研究揭示的"碳纳米结构-活性相组成-催化性能"构效关系，也为多相催化剂设计提供了理论指导。