【摘要】：本文以吸附了金屬離子(Ni、Fe離子)的明膠為碳源,采用高溫炭化的方法,制備了明膠衍生的富氮炭負(fù)載NiFe合金的功能化復(fù)合物(NiFe-NC)。采用X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡、熱重分析、電化學(xué)線性掃描等表征手段對NiFe-NC的形貌、結(jié)構(gòu)和電催化析氧性能進(jìn)行表征和研究。結(jié)果表明,金屬納米顆粒均勻負(fù)載在炭片的表面,暴露出了更多的活性位點(diǎn),從而改善和強(qiáng)化了電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程,提高了其作為析氧反應(yīng)催化劑的催化性能和穩(wěn)定性。在10 mAcm~(-2)電流密度下,過電勢僅為366 mV,Tafel斜率為46.6 mV dec~(-1),并在5 mAcm~(-2)的電流密度下能夠穩(wěn)定工作25 h以上。
【圖文】：

圖1G-NC、Fe-NC、Ni-NC和NiFe-NC樣品的XＲD分析譜圖圖中(*)代表明膠中Na、Mg、Al、Ca衍生無機(jī)鹽的特征峰Fig．1XＲDpatternsofG-NC，F(xiàn)e-NC，Ni-NCandNiFe-NC．征衍射峰。對于NiFe-NC而言，在43．6°、50．8°處出的尖峰與NiFe合金(JCPDSCardno．47-1405)的(111)和(200)晶面特征衍射峰相符，表明Ni、Fe以合金的形式存在于NiFe-NC中［15］。XPS可以給出材料的表面信息，，包括組成、價態(tài)和各組成的分布情況等［16］。所以，我們對NiFe-NC進(jìn)行了XPS分析，結(jié)果如圖2所示。從C1s的高分辨譜圖(圖2a)中可以看到，C迨C(284．6eV)的峰強(qiáng)度和面積明顯大于C迨O(286．3eV)和O—C迨O(288．2eV)的，表明材料表面C物種中C迨C居多。同時，經(jīng)XPS的定量分析可以得出樣品中N含量高達(dá)6．4at%，分別以穩(wěn)定的吡咯氮(400．0eV)、吡啶氮(398．5eV)和石墨化氮(401．8eV)的形式存在(圖2b)。此外，我們根據(jù)譜線積分面積占總積分面積的比值推算了不同存在形式的N物種的含量，其中吡啶氮的含量最高，達(dá)53．2%，吡咯氮和石墨化氮分別占30．4%和16．4%［17］。從圖2c的Ni2p譜圖可以看出，Ni在材料表面以單純的合金Ni狀態(tài)存在，與XＲD結(jié)果一致，對應(yīng)的鍵能為854．3eV，并且在861．3eV處能看到明顯的Ni衛(wèi)星峰［17］。進(jìn)一步從圖2d可以看出，F(xiàn)e元素可歸屬于兩種類型的Fe物種，即Fe-O(710．3eV)和合金Fe(706．0eV)，其中Fe-O鍵的存在可能是由于樣品暴露于空氣中表面氧化所致，也說明NiFe合金中的Fe比Ni更易被氧化。圖2NiFe-NC樣品的XPS能譜圖:C1s譜(a)、N1s譜(b)、Ni2p譜(c)、Fe2p譜(d)Fig．2XPSspectraofNiFe-NC:C1s(a)，N1s(b)，Ni2p(c)，F(xiàn)e2p(d)．第6期黃紅菱等:生物質(zhì)衍生炭負(fù)載金屬催化劑的制備及析氧性能研究·559·

)呈現(xiàn)的塊體表面富有孔洞，塊體形狀與明膠直接炭化得到形狀類似;明膠同時吸附Ni鹽和Fe鹽之后碳化得到的復(fù)合材料NiFe-NC(圖3d)是由炭片組成的多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為0．5-3μm。從以上討論結(jié)果可以推斷，Ni鹽在明膠炭化過程中能夠誘導(dǎo)炭片的生成，而Fe鹽能夠促使多孔的形成，當(dāng)加入兩種鹽時，能夠得到多孔的炭片結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有開放的孔道，增加了催化過程中與電解液的接觸面積，同時有利于電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生氧氣的析出。此外，這樣獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能夠使催化劑得到充分的暴露進(jìn)而提供較多的反應(yīng)活性位，提高催化性能。圖3G-NC(a)、Ni-NC(b)、Fe-NC(c)、NiFe-NC(d)樣品的SEM照片F(xiàn)ig．3SEMimagesofG-NC(a)，Ni-NC(b)，F(xiàn)e-NC(c)andNiFe-NC(d)．為了更進(jìn)一步了解NiFe-NC的結(jié)構(gòu)與形貌特征，我們對其進(jìn)行了TEM表征，并且對NiFe合金的顆粒尺寸進(jìn)行了粒徑分布統(tǒng)計，結(jié)果如圖4所示。從NiFe-NC的透射電鏡圖(圖4a)可以看出，NiFe-NC呈現(xiàn)一種二維的片狀結(jié)構(gòu)，與SEM結(jié)果相符。進(jìn)一步放大的透射電鏡圖片(圖4b)顯示，炭片表面均勻地負(fù)載著金屬顆粒，且金屬顆粒的粒徑校從粒徑分布統(tǒng)計圖(圖4c)可以看出NiFe合金納米顆粒粒徑分布在5-16nm，其中主要集中在10nm左右。由高分辨透射電鏡圖片(圖4d)可以看出金屬顆粒暴露出晶格間距為0．20nm的晶格條紋，這對應(yīng)于NiFe合金的(111)晶面間距。此外，在金屬顆粒周圍存在石墨化炭層，條紋間距為0．35nm，對應(yīng)于石墨(002)晶面間距。這些較小的金屬納米顆粒能夠暴露更多的原子和邊緣位，并激活外層的炭層，作為活性中心有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行;高導(dǎo)電性的炭片能夠?yàn)殡娮拥膫鬏斕峁┛焖偻ǖ�，同時作為載體能夠分散金屬顆粒，并進(jìn)一步抑制顆粒的團(tuán)聚進(jìn)而提高反應(yīng)的動力學(xué)和催化穩(wěn)定性。3．3熱重分析圖5為各樣品

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