開發(fā)用于析氧反應(yīng)（OER）和氫析出反應(yīng)（HER）的低成本高效催化劑在水分解領(lǐng)域至關(guān)重要。以廢棄酒糟為碳氮源,通過碳酸鈉活化實(shí)現(xiàn)氮摻雜和鈷納米粒子負(fù)載,同時(shí)獲得復(fù)合催化劑（Co（15）-DS-4）。對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析表明,憑借多孔材料的介微孔結(jié)構(gòu),表面原子的高暴露特性和活性位點(diǎn)Co-N的協(xié)同效應(yīng),Co（15）-DS-4表現(xiàn)出優(yōu)異的HER和OER雙功能催化活性。在Co（15）-DS-4催化作用下,堿性電解液中的電極達(dá)到10 m A/cm2電流密度需要0.42 V過電壓,這遠(yuǎn)低于商業(yè)上貴重的Ru O2催化劑（≈0.5 V）。此外,Co（15）-DS-4具有優(yōu)異的水分解穩(wěn)定性,經(jīng)3 000次循環(huán)伏安,Co（15）-DS-4的OER極限擴(kuò)散電流密度仍能保持97.5%（HER極限擴(kuò)散電流密度仍能保持98.3%）。這一廢棄酒糟衍生碳所構(gòu)筑的N摻雜多孔碳負(fù)載Co納米粒子復(fù)合材料在水電解領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。 

【文章來源】：節(jié)能. 2020,39(05)

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

催化劑的SEM,TEM和HRTEM圖

4種催化劑的XRD圖譜如圖2所示，結(jié)合DS催化劑衍射圖譜，催化劑DS-3、DS-4和DS-5的峰約在26°位置變寬，對(duì)應(yīng)其類石墨結(jié)構(gòu)中的002晶面衍射峰，證明碳酸鈉的加入促進(jìn)碳載體的石墨化。Co(15)-DS-4不僅能觀察到類似的石墨化衍射峰，在37°、59°和65°處分別出現(xiàn)了新的衍射峰，通過與Co2p譜圖（JCPDS No.43-1003）對(duì)比可知，這些新衍射峰依次對(duì)應(yīng)于Co納米粒子的（311）、（511）、（440)3個(gè)晶面。采用XPS對(duì)產(chǎn)物表面化學(xué)元素及化合價(jià)態(tài)進(jìn)行了表征[13]。催化劑的XPS全譜圖如圖3所示，對(duì)比8種產(chǎn)物的全譜圖可以得知，Co(15)-DS-4由C、N、O和Co元素組成，其信號(hào)峰分別位于284.4eV,398.2eV,531.3eV和780.0 eV處。因此，通過簡單的混合碳化處理，催化劑Co(a)-DS-b實(shí)現(xiàn)了鈷納米粒子的負(fù)載與氮元素自摻雜。

采用XPS對(duì)產(chǎn)物表面化學(xué)元素及化合價(jià)態(tài)進(jìn)行了表征[13]。催化劑的XPS全譜圖如圖3所示，對(duì)比8種產(chǎn)物的全譜圖可以得知，Co(15)-DS-4由C、N、O和Co元素組成，其信號(hào)峰分別位于284.4eV,398.2eV,531.3eV和780.0 eV處。因此，通過簡單的混合碳化處理，催化劑Co(a)-DS-b實(shí)現(xiàn)了鈷納米粒子的負(fù)載與氮元素自摻雜。不同催化劑的Co和N含量如表1所示，隨著鈷原子摻雜比例增加，催化劑的氮含量急劇下降，鈷原子含量逐漸增加。結(jié)合表2可知，為了進(jìn)一步分析催化劑Co(15)-DS-4水分解催化活性最高的原因，通過擬合計(jì)算得到N1s和Co2p成分，發(fā)現(xiàn)Co(a)-DS-b的自摻雜氮組分包括吡咯氮（N1：在400.5 eV處）和石墨氮（N2：在401.3 eV處）兩部分。而Co2p XPS圖譜可擬合為780.3 eV和781.5 eV兩個(gè)峰，分別對(duì)應(yīng)著Co-C-N和Co-N。當(dāng)鈷原子摻雜比例a=15時(shí)，石墨氮和Co-C-N比例逐漸增加到最大值。這可能是碳結(jié)構(gòu)的石墨氮和Co在其表面協(xié)同作用形成大量的Co-N-C官能團(tuán)，進(jìn)而在水分解催化過程中充當(dāng)活性位點(diǎn)。當(dāng)鈷原子摻雜比例a=20時(shí)，石墨氮和Co-C-N比例開始下降，石墨氮提供促進(jìn)整個(gè)電荷轉(zhuǎn)移過程的價(jià)電子就越少。因此，Co(15)-DS-4和其他同源化合物（DS、DS-3、DS-4、DS-5、Co(5)-DS-4、Co(10)-DS-4、Co(15)-DS-4和Co(20)-DS-4）相比，可能表現(xiàn)出優(yōu)異的水分解反應(yīng)活性。


本文編號(hào)：3478539