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        NiFeP/NFF催化劑的制備及電解水性能研究

        2022-06-21 07:10:48
        關(guān)鍵詞:磷化納米線(xiàn)電流密度

        王 霞

        (西華師范大學(xué),四川 南充 637000)

        0 引言

        H在未來(lái)的可持續(xù)能源需求中占據(jù)極其重要的地位,因此制氫技術(shù)在可持續(xù)能源的開(kāi)發(fā)中顯得尤為重要。電解水制氫是一種綠色、簡(jiǎn)單的制氫方式。然而,反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要障礙。為了改善反應(yīng)動(dòng)力學(xué),水的電解就需要使用電催化劑降低反應(yīng)能壘,加快反應(yīng)速率。如今,工業(yè)上使用的HER催化劑是鉑(Pt)基材料,OER催化劑是釕(Ru)基、銥(Ir)基材料。這些貴金屬基材料因選擇性差、只能催化單一的反應(yīng)以及高成本,不能大規(guī)模應(yīng)用。因此,開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉、資源豐富、活性高、耐久性好的雙功能催化劑具有重要意義。

        目前,過(guò)渡金屬磷化物(TMPs)已被研究證實(shí)是一種雙功能催化劑,在催化析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)過(guò)程中都具有活性。但是,TMPs電導(dǎo)率低,磷(P)的電負(fù)性高,限制了金屬中電子的離域,這就極大地抑制了電荷轉(zhuǎn)移,使TMPs對(duì)HER和OER的催化過(guò)電位依然很高。所以,為加快TMPs的催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué),在金屬泡沫基底上直接生長(zhǎng)催化劑,以及引入導(dǎo)電性高的材料,是制備高催化活性、高穩(wěn)定性催化劑的有效方法。該文將詳盡闡述如何在金屬泡沫上直接生長(zhǎng)有機(jī)金屬框架,并在磷化的同時(shí)使含碳的有機(jī)金屬框架熱解即碳化,得到無(wú)定形的自支撐電極NiFeP/NFF。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 試驗(yàn)藥品

        異丙醇(IPA)、次磷酸鈉(NaHPO)(分析純級(jí)別,天津市福晨化學(xué)試劑廠);氫氧化鉀(KOH)(分析純級(jí)別,上海滬化工有限公司);氨三乙酸(NTA)(成都化學(xué)試劑廠);金屬泡沫鎳(NF)、金屬泡沫鐵(FF)、金屬泡沫鎳鐵(NFF)(蘇州科盛和金屬材料);二氧化釕(RuO)(分析純級(jí)別,美國(guó)西格馬奧德里奇公司);鉑碳(Pt/C)(20 wt%,莊信萬(wàn)豐化工有限公司);全氟磺酸基聚合物(Nafion,5 wt%,美國(guó)杜邦公司)。

        1.2 催化電極的制備

        1.2.1 NiFeP/NFF催化電極的制備

        稱(chēng)取0.3 mmol的NTA,分散在5 mL HO和5 mL IPA混合溶液中,攪拌20 min后,將其均勻分散地轉(zhuǎn)入50 mL反應(yīng)釜中。再將NFF斜靠在反應(yīng)釜中,在160 ℃溫度下反應(yīng)6 h,得到NiFe-NTA/NFF。接著將0.5g NaHPO裝入剛玉舟,放在真空管式爐氣流上游,NiFe-NTA/NFF則放在緊挨NaHPO的下游。在N環(huán)境中,將升溫速率設(shè)定為2 ℃/min,以此升溫到350 ℃。在此溫度下反應(yīng)2 h后,就可得到NiFeP/NFF催化電極。

        1.2.2 FeP/FF和NiP/NF催化電極的制備

        將上述合成NiFeP/NFF試驗(yàn)中加NFF這一步替換為加FF,將得到FeP/FF催化電極。如果替換為加NF,將得到NiP/NF催化電極。

        1.2.3 RuO和Pt/C催化電極的制備

        將0.3 g RuO(Pt/C)加到300 μL的Nafion乙醇溶液(0.2 wt%)中,超聲30 min均勻分散,然后將100 mL該分散液均勻涂滴在已用丙酮、鹽酸、乙醇和水處理過(guò)的1×0.5 cm的NF上,便可得到RuO(Pt/C)催化電極。

        1.3 電化學(xué)測(cè)試

        OER測(cè)試和HER測(cè)試均在三電極體系中進(jìn)行。在1M(1mol/L)的KOH中,將碳棒和汞/氧化汞(Hg/HgO)分別作為對(duì)電極和參比電極,合成的材料作為工作電極。電壓需要通過(guò)公式E=E/HgO+0.059 pH+0.098 V(E為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電壓;E/HgO為相對(duì)Hg/HgO電極的電壓)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)氫電極電勢(shì)(vs,RHE),且該文中所有電壓均需轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位。OER的線(xiàn)性?huà)呙璺睬€(xiàn)(LSV)測(cè)試的電壓為1.0 V~1.8 V,HER的電壓為0.0 V~-0.6 V,二者掃描速度均為5 mV/s。用NiFeP/NFF作為電解水的陰極和陽(yáng)極在1.2 V~1.9 V進(jìn)行全解水的LSV測(cè)試,掃描速度同上。穩(wěn)定性測(cè)試則需利用計(jì)時(shí)電勢(shì)法,在恒電流密度10 mA/cm下進(jìn)行測(cè)試。

        2 結(jié)果與討論

        無(wú)定形結(jié)構(gòu)的NiFeP/NFF在催化析氫、析氧過(guò)程中均有優(yōu)異的催化活性。在電催化OER過(guò)程中,NiFeP表面會(huì)生成1層薄的氧化物(M)。它是OER過(guò)程中的活性物質(zhì),與OH結(jié)合,生成M-OH中間體。再結(jié)合1個(gè)OH,釋放1個(gè)HO分子和1個(gè)質(zhì)子,形成M-O。2個(gè)M-O之間相互耦合,釋放O。因?yàn)镹iFeP/NFF在析氧反應(yīng)過(guò)程中的每步都有適中的吉布斯自由能,且在電流密度為10 mA/cm時(shí),析氧過(guò)電位僅為190 mV,所以NiFeP/NFF有較好的催化性能。

        在析氫反應(yīng)中,氫質(zhì)子首先獲得電子,在NiFeP/NFF表面形成吸附態(tài)氫。然后經(jīng)過(guò)反應(yīng)解吸,并結(jié)合氫質(zhì)子產(chǎn)生脫附H。NiFeP/NFF對(duì)氫中間體的吸、脫附能力適中,當(dāng)電流密度為10 mA/cm時(shí),析氫過(guò)電位為109 mV,過(guò)電位較低。

        可見(jiàn),NiFeP/NFF催化劑在析氫、析氧過(guò)程中都具有較好的催化性能,因此在全解水過(guò)程中,只需要1.54 V的電壓就可以使電流密度達(dá)到10 mA/cm。這要?dú)w因于該催化劑的無(wú)定形結(jié)構(gòu)為催化提供了更多的活性位點(diǎn)。

        為了解該催化劑的表觀形貌,該文對(duì)合成的NiFe-NTA/NFF配合物和NiFeP/NFF進(jìn)行了電子顯微鏡掃描。從圖1(a)中可以清楚地看到NFF上長(zhǎng)滿(mǎn)了超長(zhǎng)的納米線(xiàn),經(jīng)過(guò)磷化之后,納米線(xiàn)交織在一起,形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),如圖1(b)所示。這樣的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有利于電解液的滲透和氣泡的逸出。在圖1(c)中,可觀察到納米線(xiàn)表面有很多孔洞,而在磷化前納米線(xiàn)呈現(xiàn)的是光滑表面。這是因?yàn)樵跓崃谆瘯r(shí),NiFe-NTA/NFF配合物分解產(chǎn)生大量氣體,沖擊納米線(xiàn)表面,使其變得粗糙,而這恰可以增加活性位點(diǎn)的暴露數(shù),加快催化反應(yīng)的速度。同時(shí)還可以觀察到納米線(xiàn)表面有一層薄薄的碳層,這也增強(qiáng)了催化劑在強(qiáng)堿中的耐受性和導(dǎo)電性。而在圖1(d)中看不到晶格條紋,說(shuō)明NiFeP/NFF為無(wú)定形結(jié)構(gòu)。

        該文通過(guò)圖1(e)對(duì)NiFeP/NFF的晶相結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步的分析。在該譜圖中,NiFeP/NFF除了和基底NFF的Ni3Fe(PDF#65-3244,X射線(xiàn)衍射光譜的標(biāo)準(zhǔn)卡片號(hào))的衍射峰能完全對(duì)上之外,沒(méi)有其他衍射峰,說(shuō)明該NiFeP是非晶態(tài)性質(zhì)。這與圖1(d)的分析相吻合。

        該文還對(duì)NiFeP/NFF電極表面的化學(xué)組成和主要元素價(jià)態(tài)進(jìn)行了分析。它由Ni、Fe、P、C、O和N元素組成,如圖2(a)所示。進(jìn)而分別對(duì)主要元素Ni、Fe的化學(xué)價(jià)態(tài)進(jìn)行分析。圖2(b)為Ni的高分辨譜圖,從中可見(jiàn),結(jié)合能于853.2 eV、875.2 eV兩處歸屬于Ni-P鍵的峰。同時(shí)還存在Ni-O鍵的峰,其結(jié)合能位于856.5 eV和880.1 eV。這是由金屬磷化物表面氧化形成的Ni-POx或Ni-O導(dǎo)致的。在圖2(c)中,F(xiàn)e-P鍵的結(jié)合能位于707.2eV,而在714.8 eV和725.9 eV兩處歸屬于FeP表面被氧化的Fe-POx或Fe-O的峰。綜上所述,可證明NiFeP已成功合成。

        3 催化劑的電化學(xué)性能測(cè)試

        圖3(a)呈現(xiàn)的是析氧反應(yīng)的LSV曲線(xiàn)。在10 mA/cm的電流密度下,NiFeP/NFF、FeP/FF、NiP/NF和RuO對(duì)應(yīng)的過(guò)電位分別為190 mV、290 mV、260 mV和270 mV。在同一電壓下,NiFeP/NFF相較于其他三者具有最高的電流密度,亦即其具有最好的OER催化活性。關(guān)于NiFeP/NFF在HER過(guò)程中的性能,由圖3(b)可知,在10 mA/cm的電流密度下,NiFeP/NFF、FeP/FF、NiP/NF和Pt/C的過(guò)電位分別為109 mV、192 mV、273 mV和48 mV。而根據(jù)圖3(c)可知,NiFeP/NFF只需要1.54 V的電壓即可達(dá)到10 mA/cm的電流密度。全解水會(huì)受OER的制約,因?yàn)镺ER涉及4e反應(yīng),而NiFeP/NFF具有優(yōu)異的OER性能,HER性能也較好,所以其全解水性能也較為優(yōu)秀。

        由以上測(cè)試數(shù)據(jù)可知,單金屬NiP/NF的OER性能優(yōu)于FeP/FF,雙金屬因摻雜了第二金屬而改變了電子結(jié)構(gòu),所以催化活性更高,反應(yīng)動(dòng)力學(xué)更快。同時(shí),NiFeP/NFF的非晶態(tài)性質(zhì)也為催化提供很多的催化活性位點(diǎn),從而促進(jìn)催化反應(yīng)。該文還通過(guò)計(jì)時(shí)電勢(shì)法在10 mA/cm的電流密度下進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試,如圖3(d)所示。在60 h左右的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)中,電壓始終保持恒定,證明了NiFeP/NFF具有很好的穩(wěn)定性。這得益于納米線(xiàn)表面薄薄的碳層對(duì)催化劑起到了保護(hù)作用,增強(qiáng)了它在電解液中的耐受性。

        圖1 催化劑的掃描、透射電鏡以及X射線(xiàn)衍射圖

        圖2 催化劑的X射線(xiàn)光電子能譜圖

        圖3 催化劑的各項(xiàng)催化性能測(cè)試圖

        4 結(jié)論

        綜上所述,該文通過(guò)水熱法合成了用氨三乙酸(NTA)配體,不需要外加金屬源,直接刻蝕鎳鐵金屬泡沫原位生長(zhǎng)金屬有機(jī)框架,并在低溫下進(jìn)行了磷化處理,得到非晶形的納米線(xiàn)形貌的自支撐電極NiFeP/NFF。其無(wú)定形結(jié)構(gòu)意味著其存在缺陷且有更多活性位,可以提高催化反應(yīng)的速度。NiFeP/NFF只需要1.54 V的全解水電壓就可以使電流密度達(dá)到10 mA/cm。同時(shí),NiFeP/NFF納米線(xiàn)表面薄薄的碳層起到了導(dǎo)電作用并增強(qiáng)了金屬磷化物在強(qiáng)堿溶液中的耐受性。該文的合成方法解決了金屬磷化物導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和耐受性差的問(wèn)題,為合成自支撐、性能優(yōu)異的全解水催化劑提供了一定的參考。

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