摘要：在过去的几十年中，燃料电池作为一种静态能量转换设备，因其高电化学转换效率、可控排放和良好的可靠性而受到极大关注。然而，这些设备在成本、相对于化石燃料的效率以及操作温度方面面临多重挑战。特别是，直接过氧化氢-过氧化氢燃料电池（DPPFC）利用过氧化氢（H2O2）
在过去的几十年中，燃料电池作为一种静态能量转换设备，因其高电化学转换效率、可控排放和良好的可靠性而受到极大关注。然而，这些设备在成本、相对于化石燃料的效率以及操作温度方面面临多重挑战。特别是，直接过氧化氢-过氧化氢燃料电池（DPPFC）利用过氧化氢（H2O2）作为阳极的廉价燃料和阴极的氧化剂，这在很大程度上降低了成本并增强了DPPFC的可行性。H2O2在电氧化过程中具有比替代燃料更快的动力学特性和两电子转移，且不产生有毒中间体或副产品。此外，阳极电极上氧气的电氧化产生有利于无氧环境（如水下电源）的操作。因此，研究高性能的H2O2电氧化材料在电化学催化领域受到了显著关注。
论文概要
本研究首次报道了一种快速加热-冷却过程，用于合成碳包覆的镍（Ni）纳米粒子（nano-Ni@C/RGO），这些纳米粒子被嵌入到还原氧化石墨烯（RGO）基质中，作为高性能的H2O2燃料催化剂。通过焦耳加热，温度可达到约2400K，加热时间少于0.1秒，能将平均直径约2微米的Ni微粒直接转化为平均直径约75纳米的纳米粒子。这些嵌入RGO中的Ni纳米粒子在DPPFC中的电氧化性能表现出色，其在0.2V（相对于Ag/AgCl）时的电氧化电流密度达到602 mA cm−2，比原始的嵌入RGO基质中的Ni微粒高出约150倍。此外，高温快速焦耳加热过程还在Ni纳米粒子表面形成了4-5纳米的共形碳涂层，这些涂层将Ni纳米粒子锚定在RGO纳米片上，导致出色的催化稳定性。新开发的nano-Ni@C/RGO复合材料通过焦耳加热合成，为一系列新兴能源应用，包括燃料电池的先进阳极材料，提供了巨大的潜力。相关工作以“In Situ, Fast, High-Temperature Synthesis of Nickel Nanoparticles in Reduced Graphene Oxide Matrix”为题发表在期刊《Advanced Energy Materials》上。
图文解读
图1展示了通过焦耳热方法原位合成的碳包覆镍纳米粒子（nano-Ni@C/RGO）的过程示意图。当Ni微粒在RGO基质中被加热至约2370K的温度，持续约0.06秒时，它们会重新组装成平均直径约为75纳米的纳米粒子，并形成一层薄且均匀的碳涂层。这一过程利用了RGO缺陷的“陷阱效应”作为异质成核点，防止了纳米粒子的团聚。这一发现为制备高性能的电催化剂提供了新的思路，尤其是在直接过氧化氢燃料电池（DPPFC）等能源应用领域。
图2通过数字照片和光谱测量，记录了焦耳加热装置在加热前后的状态以及光谱辐射强度的高速测量结果。图2a和b显示了悬挂在自制玻璃基底上的微米级Ni/RGO复合自由膜。图2c展示了在真空室中使用分光光度计和光电倍增管（PMT）进行光谱辐射检测的光学测量示意图。图2d和e通过高速光谱测量和普朗克定律拟合，展示了Ni/RGO膜在焦耳加热过程中的温度变化，其中温度上升和冷却的时间分别估计为12毫秒和5毫秒。图2f和g分别展示了微米级Ni/RGO复合膜在焦耳加热前后的I-V曲线和拉曼光谱，表明了焦耳加热处理后电导率的显著提升和RGO膜的结构变化。
图3通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像，揭示了RGO膜中原位形成的Ni纳米粒子的形貌。图3a显示了焦耳加热前Ni微粒在RGO基质中的随机分布，而图3b和c展示了加热后Ni微粒转变为均匀分布的纳米粒子。图3d的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像进一步确认了Ni纳米粒子的分布。图3e的选区电子衍射图样（SAED）和图3f、g的TEM和HRTEM图像揭示了Ni纳米粒子的核-壳结构，以及Ni纳米粒子被4-5纳米碳层均匀包覆的情况。图3h-k的HAADF-STEM图像和相应的EDX元素图进一步证实了Ni纳米粒子在RGO纳米片之间的均匀包覆。
图4通过蒙特卡洛和分子动力学模拟，阐释了原位高温热冲击下Ni纳米粒子的形成机制。实验中的焦耳加热处理可以熔化Ni微粒，当温度冷却时，熔融的Ni在RGO纳米片的基平面缺陷处自组装。图4a展示了Ni微粒在高温下熔化，图4b展示了冷却过程中Ni纳米簇的自组装以及碳原子在Ni纳米簇表面的包覆。图4c显示了随着碳原子吸附数量的增加，吸附能的降低，这支持了碳层包裹Ni纳米粒子的形成。模拟结果证实了在RGO纳米片表面形成包裹Ni纳米粒子的碳层的可能性。
图5评估了所制备电极作为DPPFC阳极材料的电化学性能。图5a展示了在4摩尔每升KOH溶液中，纯RGO、微米级Ni/RGO和nano-Ni@C/RGO电极的循环伏安图。图5b展示了不同扫描速率下nano-Ni@C/RGO电极的循环伏安图，显示了快速电荷转移的特性。图5c比较了RGO、微米级Ni/RGO和nano-Ni@C/RGO电极在4摩尔每升KOH和0.9摩尔每升H2O2溶液中的线性扫描伏安（LSV）曲线。图5d展示了不同温度下nano-Ni@C/RGO电极的H2O2电氧化LSV曲线。图5e是根据阿伦尼乌斯方程绘制的阿伦尼乌斯图，图5f展示了在不同施加电位下，nano-Ni@C/RGO电极对H2O2电氧化的计时电流曲线。这些结果表明，nano-Ni@C/RGO电极在H2O2电氧化反应中显示出优越的电催化性能，具有快速的电氧化动力学和良好的循环稳定性。
总结展望
总之，本研究展示了一种超快、高温、原位的方法，将约2微米的Ni微粒转化为约75纳米的纳米粒子，这些纳米粒子被RGO基质中的缺陷捕获，并被包裹在一层薄的4-5纳米碳涂层中。复合膜的温度在短短约0.06秒内达到约2370K。Ni纳米粒子紧密锚定在RGO纳米片表面，并提供了极高的电活性比表面积，达到1245平方厘米每平方厘米。nano-Ni@C/RGO电极对H2O2燃料表现出卓越的电氧化性能（在0.2V相对于Ag/AgCl时电流密度为602 mA/cm²），这几乎是未经处理的微米级Ni/RGO电极参考结果的150倍。nano-Ni@C/RGO电极还显示出在施加电位下稳定的电氧化电流密度，证明了其在DPPFC应用中的卓越循环性能。新开发的具有高电活性比表面积和碳包覆的nano-Ni@C/RGO膜是一种有前景的DPPFC阳极材料，而焦耳加热过程既经济又可扩展。预计所展示的新型加热方法可以应用于合成多种其他类型的纳米粒子，以满足能量转换和存储领域广泛的应用需求。
文献信息：Yiju Li, Yanan Chen, Anmin Nie, Aijiang Lu, Rohit Jiji Jacob, Tingting Gao, Jianwei Song, Jiaqi Dai, Jiayu Wan, Glenn Pastel, Michael R. Zachariah, Reza Shahbazian Yassar, Liangbing Hu. In Situ, Fast, High-Temperature Synthesis of Nickel Nanoparticles in Reduced Graphene Oxide Matrix. Advanced Energy Materials, 2017. https://cfbiz1b13095ec5284139sfpo9w96ovkuw6o0ofczx.eds.tju.edu.cn/10.1002/aenm.201601783
来源：小言聊科学
