ZIF-67衍生Co/NC多孔碳材料的改性及其电催化水氧化性能
发布时间：2021-02-12 15:53
通过将前体ZIF-67高温热解并采用Na BH4还原的方法制得表面富含氧空位的多孔碳复合材料（R-Co/NC-800）。利用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、X射线光电子能谱仪（XPS）等手段对材料的物相、形貌、元素分布以及表面化学键结构等进行了表征;采用线性扫描伏安法（LSV）等方法研究了材料的电催化水氧化活性。结果表明制得的多孔碳复合材料（R-Co/NC-800）与未经NaBH4还原处理的Co/NC-800样品对比,其表面氧空位浓度明显增加,形成新的催化活性位点,有效提升了电催化水氧化活性。在1.0 mol/L KOH溶液中,达到10 mA/cm2的电流密度,所需过电势仅为287 mV,同时表现出优异的电化学稳定性。
【文章来源】：化工学报. 2020,71(06)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
ZIF-67的XRD谱图(a),Co/NC-700、Co/NC-800、Co/NC-900以及R-Co/NC-800的XRD图(b),Co/NC-700、Co/NC-800、Co/NC-900以及R-Co/NC-800的拉曼光谱图(c),Co/NC-800和R-Co/NC-800的氮气吸附-脱附等温线及其对应的孔径分布(d)
拉曼光谱图[图1(c)]中Co/NC-T(T=700、800、900)与R-Co/NC-800对应的曲线均显示出两个不同的特征峰，对应于石墨碳的D峰与G峰，分别代表石墨化碳和缺陷碳[30];Co/NC-800的ID/IG值为1.044，略低于Co/NC-700(1.091)和Co/NC-900(1.064)，表明Co/NC-800中缺陷碳的比例更高，而这有利于其电催化活性的提高[30]，而R-Co/NC-800的ID/IG值(1.077)与Co/NC-800相差不大，说明R-Co/NC-800中碳骨架的石墨化程度和缺陷程度没有发生明显变化。Co/NC-800与R-Co/NC-800的N2吸附-脱附等温线及其对应的孔径分布如图1(d)所示，相对压强为0.40～1.0间的滞后环表明了二者具有类似微/介孔结构[31]，结果显示Co/NC-800与R-Co/NC-800的BET比表面积分别为265.83、300.75 m2/g，平均孔径分别为4.6、4.9 nm。这说明NaBH4溶液对Co/NC-800的表面进行了改性，提高了材料的比表面积，这主要源于NaBH4将材料表面因空气氧化生成的高价钴还原为低价钴的同时，有大量的气泡产生，极大地丰富了材料表面的孔结构，增大了比表面积；而大的比表面积有利于暴露更多的活性位点[31]。图3 R-Co/NC-800的扫描电子显微镜图(插图为透射电子显微图)(a)，高分辨电子显微镜图(b)、电子衍射图(c)以及元素分布图(d)
图2 ZIF-67(a)、Co/NC-800(b)的扫描电子显微镜图(插图为透射电子显微镜图)前体ZIF-67呈现出均匀的菱形正十二面体晶粒形貌[图2(a)]，表面光滑，菱角清晰，尺寸为400 nm左右。Co/NC-800则较好地维持了前体的正多面体结构[图2(b)]，尺寸略有缩小，且样品表面明显变得粗糙，这主要归因于热解过程中大量有机成分分解造成的。Co/NC-800的TEM图[图2(b)插图]显示煅烧后由于有机成分的大量热解，Co/NC-800失去了前体的实心结构[图2(a)插图]，出现了大量孔结构，其中灰色区域为样品的碳骨架部分，黑色部分则代表着钴纳米颗粒，由图可知钴纳米颗粒较为均匀地分布在石墨碳层中。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双功能yolk-shell钴@钴氮碳掺杂氧电极催化剂[J]. 水恒心,潘冯弘康,金田,胡军,刘洪来. 化工学报. 2018(11)
[2]氢能——我国未来的清洁能源[J]. 毛宗强. 化工学报. 2004(S1)
本文编号：3031097
【文章来源】：化工学报. 2020,71(06)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
ZIF-67的XRD谱图(a),Co/NC-700、Co/NC-800、Co/NC-900以及R-Co/NC-800的XRD图(b),Co/NC-700、Co/NC-800、Co/NC-900以及R-Co/NC-800的拉曼光谱图(c),Co/NC-800和R-Co/NC-800的氮气吸附-脱附等温线及其对应的孔径分布(d)
拉曼光谱图[图1(c)]中Co/NC-T(T=700、800、900)与R-Co/NC-800对应的曲线均显示出两个不同的特征峰，对应于石墨碳的D峰与G峰，分别代表石墨化碳和缺陷碳[30];Co/NC-800的ID/IG值为1.044，略低于Co/NC-700(1.091)和Co/NC-900(1.064)，表明Co/NC-800中缺陷碳的比例更高，而这有利于其电催化活性的提高[30]，而R-Co/NC-800的ID/IG值(1.077)与Co/NC-800相差不大，说明R-Co/NC-800中碳骨架的石墨化程度和缺陷程度没有发生明显变化。Co/NC-800与R-Co/NC-800的N2吸附-脱附等温线及其对应的孔径分布如图1(d)所示，相对压强为0.40～1.0间的滞后环表明了二者具有类似微/介孔结构[31]，结果显示Co/NC-800与R-Co/NC-800的BET比表面积分别为265.83、300.75 m2/g，平均孔径分别为4.6、4.9 nm。这说明NaBH4溶液对Co/NC-800的表面进行了改性，提高了材料的比表面积，这主要源于NaBH4将材料表面因空气氧化生成的高价钴还原为低价钴的同时，有大量的气泡产生，极大地丰富了材料表面的孔结构，增大了比表面积；而大的比表面积有利于暴露更多的活性位点[31]。图3 R-Co/NC-800的扫描电子显微镜图(插图为透射电子显微图)(a)，高分辨电子显微镜图(b)、电子衍射图(c)以及元素分布图(d)
图2 ZIF-67(a)、Co/NC-800(b)的扫描电子显微镜图(插图为透射电子显微镜图)前体ZIF-67呈现出均匀的菱形正十二面体晶粒形貌[图2(a)]，表面光滑，菱角清晰，尺寸为400 nm左右。Co/NC-800则较好地维持了前体的正多面体结构[图2(b)]，尺寸略有缩小，且样品表面明显变得粗糙，这主要归因于热解过程中大量有机成分分解造成的。Co/NC-800的TEM图[图2(b)插图]显示煅烧后由于有机成分的大量热解，Co/NC-800失去了前体的实心结构[图2(a)插图]，出现了大量孔结构，其中灰色区域为样品的碳骨架部分，黑色部分则代表着钴纳米颗粒，由图可知钴纳米颗粒较为均匀地分布在石墨碳层中。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双功能yolk-shell钴@钴氮碳掺杂氧电极催化剂[J]. 水恒心,潘冯弘康,金田,胡军,刘洪来. 化工学报. 2018(11)
[2]氢能——我国未来的清洁能源[J]. 毛宗强. 化工学报. 2004(S1)
本文编号：3031097
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