Ce改性碳纳米管负载过渡金属磷化物用于电化学水分解_翟虹.pdf

Ce 改性碳纳米管负载过渡金属磷化物用于电化学水分解翟虹刘金成甄华如李春萍白杰徐广然*(内蒙古工业大学化工学院内蒙古工业催化重点实验室呼和浩特010051)*联系人，徐广然E-mail:docxugr_chem imuteducn内蒙古自然科学基金项目(2019BS02011)资助2022-06-06 收稿，2022-07-10 接受摘要氢能是未来替代化石燃料的理想选择，可以通过电解水的半反应之一析氢反应制得，但其缓慢的反应动力学将会耗费大量的电池电压。因此，通过开发催化剂来降低电解槽的电压是解决这一问题的关键途径。本文经过简便的静电纺丝及碳化工艺得到 Ce 改性的碳纤维作为载体(Ce-CNFs)，接着通过水热法及高温磷化法负载活性组分得到 Cox-Moy-P Ce-CNFs，分别对催化材料的析氢反应(HE)和析氧反应(OE)电催化活性进行了研究。结果表明，在 1mol/L KOH 电解液中，仅需要 160mV 和 323mV 的过电位就能达到 10mA/cm2的电流密度。将 Cox-Moy-P Ce-CNFs 作为阴极和阳极材料组装为整体水电解槽，在电流密度为 10mA/cm2时，电解槽的电池电压为 1.65V，在电化学耐久性测试中能够稳定保持 8h。关键词碳纳米管稀土金属析氢反应析氧反应电化学水分解Ce-Modified Carbon Nanotubes-Supported Transition MetalPhosphates for Overall Water SplittingZhai Hong，Liu Jincheng，Zhen Huaru，Li Chunping，Bai Jie，Xu Guangran*(Chemical Engineering College，Inner Mongolia University of Technology;Inner Mongolia KeyLaboratory of Industrial Catalysis，Hohhot，010051)AbstractHydrogen is an ideal energy to replace fossil fuels in the future As one of the half-reactions of waterelectrolysis，the hydrogen evolution reaction has been proved to be a promising method for hydrogen production Butits slow reaction kinetics consume a lot of battery voltage The voltage of the electrolytic cell can be reduced bydeveloping cathode and anode catalysts，which can effectively promote the water electrolysis reaction In this paper，Ce modified carbon fibers(Ce-CNFs)were obtained by simple electrospinning and high-temperature carbonizationprocess，and then the active components were loaded by hydrothermal method and high-temperature phosphatingmethod to prepare the water electrolysis catalyst Cox-Moy-P Ce-CNFs The hydrogen evolution reaction(HE)andoxygen evolution reaction(OE)activities of the catalytic samples were investigated，respectively In 1 mol/L KOHelectrolyte，Cox-Moy-P Ce-CNFs exhibits small overpotential of 160 mV and 323 mV to achieve current density of10 mA cm2 And the catalyst still maintains excellent catalytic activity at high current density Cox-Moy-P Ce-CNFs were assembled as cathode and anode materials into a monolithic water electrolyzer At current density of 10 mA cm2，the cell voltage provided by the electrolyzer is 1.65 V It is stable for 8 hours in the time-current responsecurveKeywordsCarbon nanotubes，are earth metals，Hydrogen evolution reaction，Oxygen evolution reaction，Electrochemical water splitting氢气是一种多功能的能源载体，可以实现深度脱碳，同时氢能也是最理想最清洁的能源1。电化学水分解(EWS)是一种很有前途的生产氢气的技术，它将可再生能源电能转化为理想的化学能。EWS 过程可分为两部分:即阴极上的析氢反应(HE)和阳极上的析氧反应(OE)，但缓慢的反应动力学耗费了大量的电池电压，限制了其实际应用2。EWS 的两个半反应都涉及了中间933http:/wwwhxtborg化学通报2023 年 第 86 卷 第 3 期DOI:10.14159/ki.0441-3776.20221021.001体的吸附和解吸，以及反应物和产物在气体-固体-液体三相界面上的扩散，因此需要高活性电催化剂来优化对中间体的吸附，促进物质扩散3。阴极和阳极电极上的电催化剂的存在可以在很大程度上降低 HE 和 OE 反应的过电位，促进电极之间以及电极与电解质之间的电荷转移4。目前对 HE 和 OE 最有效的催化剂分别是铂基金属、铱基和钌基化合物5，然而由于贵金属价格高昂，储量稀缺而无法得到广泛应用6。因此，开发高效的非贵金属催化剂是一个具有高度挑战性的问题。为了解决这些问题，研究人员们开发了多种过渡金属基催化剂，其中钴7 基和镍8 基催化剂对 HE 具有相对较高的活性，包括相应的氮化物9、磷化物10、碳化物11、硫化物等。而其中具有高电负性的过渡金属磷化物(TMPs)结构与氢化酶相似，可以加快电子转移促进氧化还原反应，从而提高催化活性。TMPs 具有原料丰富、价格低、制备方法简便等优点，还可以结合具有优异导电性的碳材料形成复合材料，来加速反应动力学，提高电催化活性。以往研究表明，催化剂中的磷结合两个或两个以上的金属能够有效提高电导率，调制电子结构。特别是 Co和 Mo 的过渡金属磷化物对 HE 和 OE 具有优异的电催化活性，因为 Mo 具有优异的氢结合能力，Co 能促进水解离能力12。然而金属磷化物存在导电性差和稳定性差等缺点，在催化过程中容易发生团聚而迅速失去活性。针对上述问题，可以选择将纳米粒子支撑在具有优异导电性的碳材料上，不仅能够避免团聚，还进一步加速了反应动力学，从而达到提高电催化活性的目标。据报道传统的碳材料载体可以通过改性获得更加优良的性质，有望进一步提升电催化活性。然而，稀土金属改性碳材料作为一种新型改性策略少有研究，Ce 作为一种稀土元素具有特殊的电子结构，能够表现出多种价态，它的多价性质可以使金属-载体之间形成相互作用，有利于锚定金属粒子提升催化稳定性13。其中氧化铈作为一种对环境无害且具有重要意义的低成本半导体材料，具备 Ce3+和 Ce4+之间的可逆转换和高储氧容量，Ce(III)缺陷的存在导致氧化物表面积累过量的负电荷，而氧化物表面的电荷平衡可以通过金属纳米颗粒与氧化物表面的配位来建立，这提供了很强的金属支持作用，已经广泛应用于催化领域。研究表明，Ce 可以用作 OE 催化剂14，而且氧化铈具有更多的氧空位缺陷，能够表现出适当的氧化还原特征，具有优良的催化氧化性能和巨大 的 氧 利 用 能 力，可 以 显 著 提 高 OE 和O15 催化活性。为了开发性能优异且成本低廉的 HE、OE双功能催化剂，本文采用价态丰富的 Ce 改性碳纳米管作为载体，其中 Ce 的存在形式为氧化铈，再结合水热法及高温磷化法负载过渡金属磷化物作为活性组分，得到 Cox-Moy-P Ce-CNFs 催化剂，由于氧化铈与金属活性组分间存在很强的相互作用，金属粒子在碳纤维上负载得更加均匀，电催化活性也得到了很大的提升。1实验部分1.1试剂与仪器聚乙烯吡咯烷酮(PVP，MW=1300000)购于华迈科试剂有限公司;N，N-二甲基甲酰胺(DMF，99.5%)购于福晨(天津)化学试剂有限公司;六水合硝酸铈(99%)、六水合硝酸钴(99%)、钼酸铵(NH4)6Mo7O24H2O、99%)、次 磷 酸 钠(NaH2PO2 H2O，99%)均购于阿拉丁试剂(上海)有限公司。Phenom 扫描电镜(SEM);JEOL JEM-2100 高分辨率透射电镜(HTEM);igaku Ultima IV X射 线 衍 射 仪(XD)，CuKa 辐 射(=0.15406nm);Escalab250 xi X 射线光电子能谱仪(XPS);enishaw 激光显微拉曼光谱仪。1.2样品的制备Ce-CNFs 的制备:在 DMF 中加入 1.2g PVP和 0.6g Ce(NO3)3 6H2O，形成 10g 纺丝前驱体溶液，连续搅拌 24h，将均一的溶液加入到纺丝管内进行静电纺丝。含纺丝溶液的毛细管尖端与铝箔收集板之间的距离保持在 20cm，正负电极之间施加的电压为 16kV。通过静电纺丝收集的纤维膜命名为 Ce-PVP，将 Ce-PVP 送入管式炉中煅烧，在 250停留 2h 得到 Ce-CNFs。Co-Mo-P Ce-CNFs 的制备:采用传统的水热法合成了 Co1-Mo1-O Ce-CNFs。将 0.04g Co(NO3)26H2O 和 0.04g(NH4)6Mo7O24H2O 溶解在 15mL 去离子水中，然后将均一的溶液和 Ce-CNFs 转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中。高压釜密封，在电鼓风烘箱中升温至 180 保持12h。高压釜在室温下缓慢冷却后取出，用水彻底清洗后自然晾干，将干燥后的样品命名为 Co1-043化学通报2023 年 第 86 卷 第 3 期http:/wwwhxtborgMo1-O Ce-CNFs。将 NaH2PO2 H2O 放置在瓷舟的上游，另一边放置 Co1-Mo1-O Ce-CNFs，两种物质的质量比为 301。在氮气气氛中，温度升高至 350保持 2h，升温速率为 2/min，制得 Co1-Mo1-P Ce-CNFs。采用类似方法，保持总质量不变，将 Co(NO3)26H2O 和(NH4)6Mo7O24H2O的投料质量比改为 10、21、12、01制备对照样品，分别命名为 Co-P Ce-CNFs、Co2-Mo1-P Ce-CNFs、Co1-Mo2-P Ce-CNFs、Mo-P Ce-CNFs。1.3电化学测试方法所有的电化学性能测试均在武汉科斯特电化学工作站上进行。电化学测试采用典型的三电极体系，其中 HE 测试在氮气饱和的 1mol/L KOH溶液(pH=14)中进行，OE 测试在氧气饱和的1mol/L KOH 溶液(pH=14)中进行。催化剂负载在碳纸上(几何面积:0.35c