ZnO锚定在N掺杂生物质炭催化剂及高效氧还原性能_王仙萌.pdf

年第 期第 卷 炭 素 技 术基金项目：国家自然科学基金面上项目（），陕西省自然科学基金项目（）作者简介：王仙萌（），硕士，副教授，研究方向：从事碳纳米复合材料制备、加工及其在金属空气电池应用研究。通讯作者：王伟涛（），博士，副教授，研究方向：绿色催化材料及绿色催化反应研究，：。收稿日期：修回日期：锚定在 掺杂生物质炭催化剂及高效氧还原性能王仙萌，杨振锋，王伟涛（西安航空职业技术学院 航空材料工程学院，陕西 西安；兵器工业卫生研究所，陕西 西安；陕西科技大学 化学与化工学院，陕西 西安）摘 要：开发低成本、耐用和高效的纳米催化剂来替代昂贵和稀有的贵金属（如、和），以克服氧还原反应（）的缓慢动力学过程，对于满足可持续能源转换和未来的存储具有重要的意义。掺杂的生物质炭基过渡金属氧化物由于其高效和经济的优势，用于优化 性能，以解决全球能源危机。以热处理得到的生物质炭和硝酸镍前驱体制备了一种高活性 电催化剂，该催化剂中 纳米颗粒分散在 掺杂的生物质炭上；所制备的 电催化剂具有出色的 活性，在 溶液中的半波电压为 ，起始电压为 。本工作对于 掺杂生物质炭基过渡金属氧化物纳米复合材料的构建和 应用具有重要意义。关键词：掺杂生物质炭；电催化剂；氧还原性能中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：，（，；，；，）：，（，）（），：；当前，经济社会的高速发展使得开发新能源转化技术势在必行。氧还原反应是包括燃料电池和金属空气电池等新能源技术的核心反应。贵金属如 及其合金因其优异的催化活性而被常规用于，但其成本过高、稀缺性和快速降解一直是主要问题限制其规模化的应用。过渡金属氧化物由于其氧还原的活性高、成本低和存储丰富受到了广泛的关注。同时，过渡金属氧化物中金属氧化态转变有利于提高金属氧化物氧还原性能。但过渡金属氧化物的电导率低，而纳米炭材料具有高的电导率，同时，低维的纳米炭材料，例如石墨烯、碳纳米管、纳米炭片和氧化石墨烯等可以提高催化剂的比表面积，抑制氧化物纳米颗粒的团聚和 烧 结，提 高 氧 化 物 纳 米 颗 粒 的 氧 还 原 性能。因此，研究者将过渡金属氧化物与纳米炭材料进行复合，提高过渡金属氧化氧还原性能。等报道了通过水热自组装、冷冻干燥和高温热解的方法合成 纳米材料，此催化剂在碱性条件下表现低的起始电压，高的电流密度和低的产率，电子转移数目为。在碱性条件下表现出优异的氧还原性能。氧化锌（）是一种新型无机化工材料，它既是性能优良的压电、热电和铁电材料，同时也是一种新型的宽禁带半导体材料。的价格低廉引起科研者的广泛兴趣，应用于光催化材料和储能材料。然而，通过简单方法制备 纳米材料，并应用于碱性条件下的氧还原的研究较少。因此，本文采用简单液态浸渍和高温裂解的方法制备 纳米颗粒分散 掺杂的生物质炭（），分别通过 射线衍射分析（）和投射电子显微镜（）对于 材料组成和结构进行分析，同时对于材料的 性能进行测试。实验 原料及仪器硝酸锌（），）、麦秆、氯化钠（）、碳酸钠（）；射线衍射分析（）、透射电镜（，）、旋转圆盘电极（，）和电化学工作站（）。的制备将一定量的麦秆置于粉碎机中机械粉碎，将粉碎后的麦秸置于一定量的碳酸钠和氯化钠的混合溶液中浸泡，混合溶液中 和 的质量分数分别为，进行造孔和活化。上述的混合溶液在 下搅拌 ，过滤、洗涤，即为处理后的麦秆，将处理后的麦秆在 保护下 炭化 ，得到了氮掺杂的生物质纳米炭片，标记为。催化剂的制备将一定量的硝酸锌和 掺杂的生物质纳米炭材料均匀地分散在水和乙醇的溶液中，超声 后，冷冻干燥。将干燥后的前驱体置于管式炉进行裂解，反应温度为 ，气氛为，煅烧时间为 ，得到了 材料。电催化性能 测试所制备材料的 的测试采用三电极，玻炭电极为工作电极，电极的面积为 ，炭棒为对电极，饱和的甘汞电极为参比电极（饱和的 溶液）。文中使用的电势的电压值需要转换为相对于可逆氢电极的电压（），转换的公式为，其中 浓度 ，。工作电极的准备过程：称取 催化剂粉末，分散在 乙醇的萘酚溶液中（萘酚），超声 ，得到混合均一溶液，催化剂的担载量为 。测试之前，通入氧气。循环伏安法（）和线性扫描伏安法（）的测试分别在饱和的 和 中进行，扫速为 。电子转移数（）和动力学电流密度（）由（）公式确定，如式（）、式（）：（）（）其中 可以根据 图的斜率确定。是测得的电流密度，和 分别为动力学极限电流密度和扩散极限电流密度；表示电极旋转速度；是电子转移数；是法拉第常数，；是 的体积浓度，；是 在 中的扩散系数，；是电解质的黏度，；和 的稳定性是通过 次 循环来测试。结果与讨论 催化剂的表征采用 射线粉末衍射对于 的晶体结构进行分析。如图 所示，显示一个宽峰，这是典型的石墨化碳（）晶体衍射峰。分析表明了 的存在，对应于。为、，、和 分别对应于 的（）、（）、（）、（）、（）、（）、（）和（）晶面。图 的 图 炭 素 技 术第 卷 对所制备的 材料进行形貌和组分的表征。材料的透射电子显微镜 的表征如图（，）所示，的 纳米颗粒分散在 掺杂的 薄片上。高分辨的 如图（）所示，晶格间距 对应（）面，证明了 纳米颗粒的存在。图（）为 的 图，图（）为 里各元素的映射图像，可以看到，和，种原子均匀分布在纳米材料上。电催化性能 测试图（）为 材料在 和 中 曲线。相比于在 气氛，在 的气氛中，在 下具有强的还原峰，其结果表明：对 起较强的催化性能。图（）为 不同转速（）下的极化曲线。随着转速的增加，电流密度也呈现比例的增加。的极化曲线对应的 曲线如图（）所示，结果表明 催化剂发生氧还原反应的电子转移数为。和 的极化曲线对比，如图（）所示，转速为 ，的起始电压为，半波电位为，极限电流密度为 ；的起始电压为，半波电图 的 图 图 的 图（）及 面扫元素分布图（），（），（），（），（）（），（），（），（），（）（）第 期王仙萌，等：锚定在 掺杂生物质炭催化剂及高效氧还原性能 图 （）在 中，分别在 和 中 曲线；（）在不同转速下的极化曲线；（）对应的 曲线（），（）（）位为 ，极限电流密度为 。催化性能优于。图（）为 和 的 斜率，从图可以看出 的斜率为 ，优于（），证明了 具有优异的 活性。优异的性能归因于 与 掺杂炭材料的协同效应。图（）为在 中 在 个电位循环之前和之后的 极化曲线，曲线没有明显的变化，通过循环的稳定曲线，表明 催化剂具有良好的氧还原稳定性。图 和 在 转速下的极化曲线图（）和及其对应的 斜率（），在 中 在 个电位循环之前和之后的 极化曲线（）（），（），（）结论研究了 纳米颗粒锚定在 掺杂的生物质炭上，是通过冷冻干燥和简单的热处理获得的。结果表明 表现出与 可媲美的氧还原活性和优良的稳定性，归因于 和 掺杂生物质炭的协同作用。此方法为简单的非贵金属氧化物催化剂的开发与应用提供了新途径。炭 素 技 术第 卷 参考文献：，：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，：，（）：，（）：，（，），：，：，（）：，（，），（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，；，（）：，（）：，：，：，：，：第 期王仙萌，等：锚定在 掺杂生物质炭催化剂及高效氧还原性能