陳永康 彭新文

（華南理工大學(xué)制漿造紙國家重點實驗室，廣東廣州，510640）

隨著傳統(tǒng)化石資源的消耗及其帶來的環(huán)境污染、全球變暖、能源短缺等一系列問題，開發(fā)經(jīng)濟、高效、環(huán)保的可再生能源具有重要意義。其中，鋅-空氣電池可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有能量密度高和能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢，被認為是一種極具前景的新能源技術(shù)[1-2]。目前，鋅-空氣電池仍不能大規(guī)模使用，主要原因之一是陰極的氧還原反應(yīng)（ORR）動力學(xué)緩慢，因此開發(fā)具有高效氧電催化活性的電催化劑具有重要意義[3-4]。鉑基催化劑是目前最常見且ORR催化活性較高的一種電催化劑[5]，但存在著成本高、資源有限、耐腐蝕性差等問題，因此迫切需要開發(fā)具有高活性、低成本、循環(huán)穩(wěn)定性高的無金屬催化劑[6]。

生物質(zhì)具有資源豐富、可再生、價格低廉等優(yōu)勢，是制備低成本、綠色環(huán)保碳材料的理想前驅(qū)體[7]。將生物質(zhì)資源進行高溫?zé)峤馓蓟纯傻玫綄?dǎo)電性好、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、化學(xué)穩(wěn)定高的碳材料。然而，直接碳化所得的生物質(zhì)碳材料本身幾乎沒有ORR 催化活性，需要通過雜原子摻雜調(diào)控碳原子周圍的電荷價態(tài)和電子結(jié)構(gòu)以提高其催化活性[8-9]。由于氮原子與碳原子具有相似的尺寸，可以形成強共價鍵并有效調(diào)控電荷分布，因此氮摻雜是最有效的一種提高碳材料電催化活性的雜原子摻雜方法[10]。在碳化過程中，氮原子以吡啶-N、吡咯-N、石墨-N、氧化-N 和氨基-N的形式混入碳骨架結(jié)構(gòu)中，誘導(dǎo)碳元素周圍電荷的離域，破壞碳中性，增強氧的吸附和還原，進而提高整體的ORR 催化活性[11]。為了獲得更優(yōu)異的ORR 性能，需要進一步優(yōu)化催化劑的結(jié)構(gòu)。通過提高催化劑的比表面積可以暴露更多的活性位點，而分級納米孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計有利于物質(zhì)的傳輸，提高反應(yīng)相關(guān)物質(zhì)接近反應(yīng)中心的概率[12]。

在無金屬電催化劑研究報道中，通過石墨烯、碳納米管、活性炭作為碳基底材料，具有成本高、產(chǎn)率低、合成步驟復(fù)雜等缺點[13]。本研究設(shè)計了一種簡單的制備方法，以纖維素納米纖絲（CNF）為碳基底，類石墨相氮化碳（g-C3N4）為氮源和造孔劑，合成了具有分級多孔納米結(jié)構(gòu)的氮摻雜碳氣凝膠催化劑（NCA）。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X 射線衍射儀（XRD）、X 射線光電子能譜儀（XPS）、拉曼光譜儀（Raman）以及孔徑與比表面積分析儀對NCA結(jié)構(gòu)和成分進行分析表征；通過三電極體系對NCA 的電催化性能進行了探討。

1 實 驗

1.1 原料及試劑

商用漂白硫酸鹽針葉木漿，智利阿勞科林業(yè)公司；質(zhì)量分數(shù)12%次氯酸鈉（NaClO）溶液，廣州化學(xué)試劑廠；2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基自由基（TEMPO），J & K 科學(xué)有限公司；氫氧化鈉（NaOH）、氫氧化鉀（KOH）、醋酸鋅（Zn(Ac)2）、溴化鈉（NaBr）、乙醇，廣東光華科技有限公司；雙氰胺（DCD），安徽澤升科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 CNF懸浮液的制備

CNF 懸浮液的制備包括兩個步驟：TEMPO 誘導(dǎo)的纖維素纖維氧化和氧化纖維素纖維的高壓均質(zhì)[14]。

纖維素纖維氧化：將1.0 g 纖維素纖維分散在50 mL 含有0.016 g TEMPO 和0.1 g NaBr 的溶液中，然后添加NaClO（NaClO 添加量為5.0 mmol/g 纖維素纖維）。并添加0.5 mol/L NaOH 溶液使pH 值保持在10，直到pH 值穩(wěn)定后，添加10 mL 乙醇終止反應(yīng)，過濾得到的懸浮液并用去離子水清洗。

高壓均質(zhì)：采用Nano DeBee 高壓均質(zhì)機（蘇州微流納米生物技術(shù)有限公司）進行高壓均質(zhì)處理。首先用D12 噴嘴在172 MPa 下將氧化纖維素纖維懸浮液均質(zhì)化3 次，然后用D8 噴嘴在207 MPa 下處理8 次，所得CNF懸浮液質(zhì)量分數(shù)為1.5%。

1.2.2 g-C3N4的制備

稱取20.0 g 雙氰胺置于40 mL 坩堝中，在高溫管式爐中，氮氣氛圍下以3℃/min 的升溫速率升溫至550℃后保溫4 h[15-16]，得到的黃色固體即為g-C3N4，研磨備用。

1.2.3 NCA電催化劑的制備

稱取0.3 g 的g-C3N4，加入至30.0 g CNF 懸浮液中，通過機械攪拌均勻分散，再經(jīng)過冷凍干燥獲得氣凝膠。將氣凝膠在氮氣氛圍下以5℃/min 的升溫速率升溫至900℃，保溫2 h，自然冷卻后得到NCA 電催化劑。為了進行比較，以同樣的方法制備了CA（CA為CNF 懸浮液直接炭化所得的碳氣凝膠）。圖1 為NCA的制備流程圖。

圖1 NCA的制備流程圖Fig.1 Fabrication of NCA

1.2.4 表征分析

使用掃描電子顯微鏡（SEM，Zeiss EVO-18，10 kV，德國蔡司公司）對樣品進行顯微表征。使用X 射線衍射儀（XRD，Bruker D8，Cu Kα，德國布魯克公司）、X 射線光電子能譜儀（XPS，Axis UltraDLD，Al Kα，英國KRATOS 公司）和拉曼光譜儀（Raman，LabRAM Aramis，法國HORIBA Jobin Yvon公司）對樣品進行定性分析。

1.2.5 比表面積分析

分別稱取0.1 g 的NCA、CA 樣品，使用孔徑與比表面積分析儀（Micromeritics ASAP 2460，麥克默瑞提克（上海）公司）采集氮氣等溫吸脫附數(shù)據(jù)，通過密度泛函理論模型（DFT）計算樣品孔徑分布[17]。

1.2.6 電化學(xué)性能測試

本研究采用循環(huán)伏安法（Cyclic Voltammetry，CV）和線性掃描伏安法（Linear Sweep Voltammetry，LSV），通過旋轉(zhuǎn)圓盤電極技術(shù)（RDE）及旋轉(zhuǎn)環(huán)盤技術(shù)（RRDE）對催化劑的氧還原反應(yīng)（ORR）電催化活性進行表征。旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極（美國PINE）和電化學(xué)工作站（CHI760E型）用來實時記錄樣品的電催化性能。測試過程中采用三電極體系，參比電極為Ag/AgCl 電極（飽和KCl 溶液），對電極為鉑片電極，工作電極為涂有待測NCA 電催化劑的旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極（RRDE），測試中所有的電位全部轉(zhuǎn)化為相對可逆氫電極的電位。電解液為0.1 mol/L 的KOH 溶液（氮氣或者氧氣飽和下），所有測試在室溫下進行。將5.0 mg待測NCA 電催化劑分散在700μL 無水乙醇、280μL去離子水和20 μL Nafion 混合液中超聲30 min，將10 μL 均勻分散的漿料涂覆在直徑為5 mm 的RRDE上。以同樣方式制備了負載商用Pt/C 催化劑的工作電極。

循環(huán)伏安曲線（CV）是在氧氣飽和的0.1 mol/L KOH 電解液中，以100 mV/s 的掃描速率測試所得。線性掃描伏安曲線（LSV）是在10 mV/s 的掃描速率下測試所得。

測試過程中，電位轉(zhuǎn)化為相對可逆氫電極電位見式（1）。

式中，EAg/AgCl是測量的電位；pH 是電解液的pH值；E0Ag/AgCl=0.197 V。

利用旋轉(zhuǎn)環(huán)盤技術(shù)，通過圓盤電極（RDE）和RRDE的LSV曲線對NCA催化劑在電化學(xué)測試過程中的過氧化氫產(chǎn)率（w）和電子轉(zhuǎn)移數(shù)（n）進行計算，見式（2）。

式中，ID是盤電流；IR是環(huán)電流；N為鉑環(huán)的收集效率，0.37。

1.2.7 水系鋅-空氣電池的組裝以及測試

水系鋅-空氣電池分為3 部分，以厚度為0.3 mm經(jīng)過打磨除去表面氧化層的鋅片為陽極，6 mol/L KOH+0.2 mol/L Zn(Ac)2的混合溶液為電解液，涂覆有NCA 碳氣凝膠電催化劑漿料的帶有空氣擴散層（GDL）的碳布為空氣陰極?？諝怅帢O的制備：將1 mg的NCA 碳氣凝膠電催化劑均勻分散在含有10μL Nafion 溶液的200 μL 乙醇中，然后涂覆在帶有GDL的碳布上，涂覆面積為1 cm2，干燥待用。極化曲線通過LSV 方法測得，掃速為5 mV/s。使用Land-CT2001A 設(shè)備，在恒定電流密度為10 mA/cm2對電池進行穩(wěn)定性測試（充電5 min，放電5 min）。利用電化學(xué)工作站（CHI760E型）對電池進行倍率性測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 NCA催化劑微觀結(jié)構(gòu)分析

圖2為CA 與NCA 的SEM 圖。如圖2（a）和圖2（b）所示，CNF 經(jīng)冷凍干燥-炭化（CA）可以形成片層結(jié)構(gòu)，片層間距較大（10～20 μm 之間），有利于電解液的快速傳輸；但片層表面較為光滑，無明顯多孔結(jié)構(gòu)[18]。如圖2（c）和圖2（d）所示，g-C3N4的引入對NCA三維孔道結(jié)構(gòu)的形成與刻蝕調(diào)控起著重要作用。NCA仍保留了片層結(jié)構(gòu)，但片層表面含有大量的納米孔隙，這表明g-C3N4的加入有利于納米孔隙的形成，主要原因可能是由于g-C3N4在750℃完全分解，分解過程中的揮發(fā)氣體刻蝕可以形成微孔和介孔結(jié)構(gòu)，而g-C3N4自身分解則形成了原位大孔結(jié)構(gòu)。

圖2 CA與NCA的SEM圖Fig.2 SEM images of CA and NCA

2.2 XRD和拉曼分析

圖3 為NCA、CA 的XRD 與拉曼光譜圖。如圖3（a）所示，NCA 和CA 均在2θ=23.9°和44.0°出現(xiàn)了2個寬峰，分別為石墨的（002）和（101）晶面，表明樣品含有部分石墨化結(jié)構(gòu)[19]。如圖3（b）所示，1333、1601 cm-1附近處出現(xiàn)2 個寬峰，分別代表碳材料的無序特征峰（D）和石墨特征峰（G）。通過ID/IG的比值可以分析碳材料的無序化程度[20]。經(jīng)計算可得，NCA和CA 的ID/IG比值分別為1.07 和1.09，表明NCA 的石墨化程度更高，因此更有利于提高碳材料的導(dǎo)電性。NCA 石墨化程度提高的原因可能是因為碳化過程中g(shù)-C3N4的二維片狀結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)碳骨架排列成二維石墨烯類結(jié)構(gòu)，提高了NCA的石墨化程度。

圖3 NCA、CA的XRD與拉曼光譜圖Fig.3 XRD and Raman spectra of NCA and CA

2.3 比表面積和孔徑分布分析

圖4 為NCA、CA 的氮氣脫吸附等溫曲線和孔徑分布圖。如圖4（a）所示，在較低的相對壓力下，NCA 氮氣吸附量迅速上升且?guī)в羞t滯環(huán)，屬于特征性Ⅰ和Ⅳ型等溫線，表明了微孔和介孔共存[21]。表1為NCA 與CA 中不同元素含量以及比表面積大小。如表1 所示，NCA 和CA 比表面積分別為381.77、103.58 m2/g，表明g-C3N4可以顯著提高碳材料的比表面積，起到良好的造孔作用。通過孔徑分布圖（PSD）進一步分析樣品的多孔結(jié)構(gòu)，由圖4（b）可知，NCA 含有微孔、介孔和大孔，具有分級多孔結(jié)構(gòu)。大孔結(jié)構(gòu)有利于電解質(zhì)的傳輸，微介孔的存在可以暴露更多的ORR 催化活性位點，提高O2與活性位點的接觸程度，進而提高ORR催化性能。

表1 NCA與CA中不同元素含量以及比表面積Table 1 Different element contents and specific surface area of NCA and CA

圖4 NCA、CA的氮氣脫吸附等溫曲線和孔徑分布圖Fig.4 N2 adsorption-desorption isotherm and pore size analysis of NCA and CA

2.4 熱重測試分析

在氮氣氣氛下，通過采用熱重分析儀（Pyris Diamond TG/DSC-200，US） 對NCA 的炭化前驅(qū)體和g-C3N4進行熱重分析。以5℃/min 的升溫速率升溫至800℃。圖5為NCA 和g-C3N4的熱重分析圖。如圖5所示，在550℃之前，g-C3N4質(zhì)量幾乎不變，750℃時殘余質(zhì)量降為0，表明g-C3N4在550℃開始分解，在750℃完全分解。在250～300℃時，NCA 出現(xiàn)質(zhì)量驟降，這是由于CNF 中部分纖維素短鏈分解；在550～700℃左右，曲線出現(xiàn)第2 個質(zhì)量驟降，表明材料中的g-C3N4分解。

圖5 NCA和g-C3N4的熱重分析圖Fig.5 TGA of NCA and g-C3N4

2.5 XPS分析

通過XPS 對NCA 的元素組成和結(jié)合態(tài)進行表征見圖6。如圖6（a）所示，NCA 樣品在400 eV左右出現(xiàn)了明顯的N 1s特征峰，表明N元素已成功摻雜到碳材料骨架中。對NCA 的N 1s 譜圖分析如圖6（b）所示，在399.28、399.97和401.84 eV 有3個峰，分別對應(yīng)吡啶-N、吡咯-N 和石墨-N（圖6（b））。其中，NCA 中石墨-N 的含量最高，而石墨-N 的吸附能要高于其他類型N，吸附能越高，向O2轉(zhuǎn)移的電子就越多；除此之外，石墨-N 附近氧氣的O—O 鍵長更長，有利于氧氣的質(zhì)子化。因此，該類型的氮被認為是催化活性物種，可以有效提高碳材料的ORR活性[22]。

圖6 XPS譜圖Fig.6 XPS of NCA and CA

2.6 NCA的ORR性能研究

為了評估NCA 電催化劑的ORR 催化活性，使用標準三電極體系在0.1 mol/L KOH 水溶液中進行電化學(xué)測試。圖7 為不同樣品ORR 催化性能的比較。圖8為不同樣品的ORR 催化穩(wěn)定性。如圖7（a）所示，CV測試表明，NCA 催化劑顯示出明顯的還原峰（0.846 V），CA 的還原峰值僅為0.748 V。此外，LSV測試顯示，CA 的起始電位僅為0.84 V，半波電位為0.78 V（見圖7（b）），NCA 顯示出了媲美商用Pt/C（起始和半波電位分別為0.96 V 和0.84 V）的ORR 性能，其起始電位可達0.94 V，半波電位為0.83 V。NCA 優(yōu)異的ORR 催化活性主要源于較高的比表面積、分級多孔結(jié)構(gòu)和氮摻雜[23]。如圖8（a）所示，經(jīng)過60000 s 循環(huán)后，NCA 的電流保留值可達93.7%，表明NCA 具有良好的循環(huán)耐久性。如圖8（b）所示，NCA 催化劑的電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.6～3.9，過氧化氫產(chǎn)率低于20%，表明NCA 催化劑催化的氧還原反應(yīng)是接近4電子轉(zhuǎn)移過程。

圖7 不同樣品ORR催化性能的比較Fig.7 Comparison of ORR catalytic performance of different samples

圖8 不同樣品的ORR催化穩(wěn)定性Fig.8 ORR catalytic stability of different sample

2.7 NCA鋅-空氣電池性能研究

基于NCA 的優(yōu)異電催化性能，將其用于組裝水系鋅-空氣電池進一步評估其實際應(yīng)用價值（圖9（a））。將NCA 粉末涂覆到具有空氣擴散層的碳布上作為空氣陰極（負載量為2.0 mg/cm2），以6 mol/L 的KOH 和0.2 mol/L 的Zn(Ac)2混合液作為水系電池的電解質(zhì)，打磨后鋅片（厚度為0.3 mm）作為陽極[24]。研究發(fā)現(xiàn)，NCA 基鋅-空氣電池開路電壓可達1.476 V（圖9（b））。如圖9（c）所示，在恒電流放電測試中，當電流密度從2 mA/cm2增加到40 mA/cm2，電池放電電壓雖略有下降，但均保持在1.0 V 以上。當電流密度恢復(fù)到2 mA/cm2時，放電電壓可逆地恢復(fù)到原始水平，表明基于NCA 的鋅-空氣電池具有優(yōu)異的倍率性能[25-26]。如圖9（d）所示，在10 mA/cm2的電流密度下，初始電壓間隙為0.83 V，連續(xù)充放電110 h 后，電壓間隙僅增加了170 mV，表明NCA 組裝的水系鋅-空氣電池具有優(yōu)異的充放電穩(wěn)定性。

圖9 基于NCA的水系可充電鋅-空氣電池的電池性能Fig.9 Performance of aqueous rechargeable zinc-air battery based on NCA

3 結(jié) 論

本研究利用纖維素納米纖絲（CNF）作為碳骨架，通過高氮含量的類石墨相氮化碳（g-C3N4）對CNF基碳氣凝膠進行結(jié)構(gòu)調(diào)控，實現(xiàn)了一步炭化制備分級多孔結(jié)構(gòu)的氮摻雜碳氣凝膠（NCA）電催化劑。

3.1 CNF含有大量的羧基官能團，彼此間相互纏結(jié)，可以由一維結(jié)構(gòu)纏結(jié)成二維結(jié)構(gòu)。經(jīng)冷凍干燥-炭化后可以形成片層結(jié)構(gòu)，為NCA 的片層結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)，較大的片層間隙有利于電解液的快速傳輸。

3.2 g-C3N4的加入，提供了充足的氮源，并顯著提高了生物質(zhì)碳材料的比表面積（381.77 m2/g），形成了包括微孔和介孔在內(nèi)的多級孔道結(jié)構(gòu)，有利于暴露更多的電催化活性位點和促進物質(zhì)的傳輸。

3.3 所制備的NCA 電催化劑在三電極體系下的半波電位達到了0.83 V，以及低于20%的過氧化氫產(chǎn)率和接近4 電子的電子轉(zhuǎn)移數(shù)，表現(xiàn)出了與商業(yè)Pt/C 催化劑相當?shù)腛RR 電催化性能；組裝的鋅-空氣電池在40 mA/cm2的電流密度下仍然具有1.0 V 以上的放電電壓，且在10 mA/cm2的電流密度下，能穩(wěn)定循環(huán)110 h以上。