Frontiers in Chemistry

introduktion

for at opnå disse fremtrædende katalysatorer har forskere udforsket mangfoldige metoder. Ud over at bruge ultralydsvibration, hydrotermisk, calcination og andre metoder, skal den også gennemgå trin såsom sulfurisering, selenisering, fosfatering eller andre metoder. Som vi alle ved, er svovl, selen, fosfor og så videre alle giftige og brandfarlige under visse betingelser, hvilket forhindrer den udbredte anvendelse af disse katalysatorer til hende. For at gøre det muligt for hydrogenudviklingsreaktionen at være forfremmelse og anvendelse, skal dens katalysatorforberedelse være enkel og let at opnå industriel produktion. Derfor er en enkel og nem forberedelsesmetode en af de vigtige opgaver i udviklingen af hendes katalysatorer.

blandt de mange katalysatorer har koboltfilten en gunstig aktivitet og stabilitet for hende., 2016). På grund af sin unikke elektroniske tilstand demonstrerer koboltoksiderne den gode elektrokatalytiske aktivitet., 2018). Inspireret af ovennævnte har vi her syntetiseret oktaedriske koboltoksidpartikler ved hjælp af Co-skum gennem den enkle hydrotermiske metode uden tilsætning af andre stoffer. Imponerende afslører den resulterende katalysator gunstige elektrokatalytiske præstationer og fremragende langsigtet stabilitet for HER.

eksperimentelle detaljer

syntetisk proces

alle kemiske stoffer i artiklen var af analytisk kvalitet og anvendt som opnået uden rensningsbehandling. Co-skum blev anbragt ved ultralydsvibration i henholdsvis 1,5 M saltsyreopløsning, acetone og sekundært destilleret vand i 30 minutter. Derefter blev det behandlede Co-skum og noget omdestilleret vand sat i en teflonforet autoklav (nominel kapacitet 100 mL). Autoklaven blev helet og placeret ved 200 liter C i 24 timer. Efter den hydrotermiske reaktion blev autoklaven naturligt afkølet naturligt til indetemperatur. Efter fugtet med filterpapir blev co-skummet udsat for varme i en vakuumrørovn ved 250 liter C i 30 minutter. Prøven blev opnået efter afkøling og navngivet Co1.

karakterisering

Rd data blev opnået ved hjælp af et Bruker D8 Advance Røntgendiffraktometer (Cu Ka, l-l 1.5418-L-L). Overflademorfologien og mikrostrukturen blev bestemt ved hjælp af scanningselektronmikroskop (FE-sem, JEOL JSM-6700f) og transmissionselektronmikroskop (TEM, Tecnai G2 F20). Målinger af røntgenfotoelektronspektroskopi blev undersøgt af et Phi V5000 Røntgenfotoelektronspektrometer med Al-Ka–stråling (hv = 1486,6 eV). Induktivt koblet plasma-atomemissionsspektrometri (ICP-AES) blev udført på en Leeman profil SPEC.

elektrokemiske målinger

alle elektrokemiske målinger blev udført på en Chi 760E elektrokemisk arbejdsstation (Shanghai Chenhua) i et standard tre-elektrodesystem. Co-skumprøven blev brugt som arbejdselektrode, en grafitplade blev brugt som modelektrode, og den mættede calomelelektrode (SCE) blev brugt som referenceelektrode. For alle elektrokemiske tests blev elektrolytten (1,0 M KOH) kontinuerligt boblet af nitrogen med høj renhed under eksperimentet. Alle lineære fejevoltammetri (LSV) test blev udført med en ensartet scanningshastighed på 5 mV s−1. Elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) blev udført i frekvensomfanget fra 105 til 0,01 HS under åbent kredsløbspotentiale. Cyklisk voltammogram (CV) blev påvist ved forskellige scanningshastigheder (20, 40, 60, 80, 100, 120 mV s-1). Stabilitetsmålingerne blev karakteriseret ved kronopotentiometrisk metode. Desuden blev alle potentialer nævnt i artiklen kalibreret vs. reversibel hydrogenelektrode (RHE) ifølge formlen E (RHE) = E (SCE) + 0,0591 pH + 0.2415−0.000761*(T−298.15).

resultater og diskussion

Figur 1 viser karakteriseringen af Co1catalysten. De vigtigste komponenter i materialet kan udledes af testresultaterne. Som vist i Figur 1, diffraktionsvinklerne af 31°, 37°, 45°, 59°, og 65 liter i kurven svarer til standarddiffraktionstoppen for Co3O4(PDF.43-1003), henholdsvis. Spaderne af diffraktionstoppe svarer til Røntgendiffraktionstoppen af ubehandlet koboltskum (figur S1). Diffraktionstoppen på 52 liter tilskrives også ubehandlet koboltskum. Og toppen, der vises på 62.

figur 1

Figur 1. Mønstre af Co1.

figur 2 viser sem-billedet af Co1. Som vist på billedet, oktaedriske Cooks partikler dækket på skelettet af kobolt skum. Disse partikelstørrelser er for det meste omkring 1 til 3 liter. TEM-billederne i høj opløsning og af de partikler, der er skrællet fra Co1, er vist i figur 3. Fra gitterkanterne afslører en interplanar afstand på 0,46 nm, som tilhører (111) planet af Co3O4. EDS-dataene (figur S2 og tabel S2) angiver, at Co-elementindholdet skal være 64 vægt%. Resultatet opnået af EDS er næsten lig med ICP-AES (Co 65 vægt%). Dette skyldes sandsynligvis en massiv hydroksyl grupper på prøveoverfladen.

figur 2

figur 2. SEM billeder af Co1.

figur 3

figur 3. (a) TEM billede af Co1 katalysator; (b) høj opløsning tem billede af Co1 katalysator.

flere oplysninger om sammensætningen og Valens tilstand af prøven blev opnået ved HPS. 2p spektre af Co og 1s spektre af O er vist i figur 4, som kalibreret med en C 1s top på 284 eV. Kernespektret med høj opløsning for Co 2p, hvor toppene ved 780 og 798 eV hører til co 2P3/2 og 2P1/2 peak i Co3O4 (Cheng et al., 2013). De to co 2P-toppe kan dekonvoluteres i fire undertoppe ved 778, 781, 795 og 799 eV, der repræsenterer signaturer af henholdsvis Co3+ og Co2+., 2016). Disse værdier er i overensstemmelse med Co2p-tilstanden, hvilket tyder på, at Co 2p er afledt af CoO. Derudover er der to satellittoppe ved 785 eV og 805 eV i figur 4 indikerer, at det meste af Co-element i slutproduktet er Co2+ kation (Lv et al., 2018). Dette repræsenterer, at der er en høj koncentration af Co2+ på overfladen af Co3O4. Derfor kan det komme til den konklusion, at der er mange meget ilt ledige stillinger til at neutralisere elektroner for hende.

figur 4

figur 4. For O 1s-spektret med høj opløsning svarer toppen centreret ved 528 eV til gitterets ilt i Co3O4, og toppen ved 532 eV er relateret til hydroksyl grupper eller ilt ledig stilling på overfladen. Desuden brød toppen på 533.5 eV kunne tilskrives absorberet ilt på overfladen af Co1 katalysator. Den maksimale intensitet er meget større end den maksimale intensitet af absorberet ilt, hvilket antyder, at der er en hel del overfladehydroksylgrupper og ilt ledige stillinger på prøveoverfladen. Ifølge det rapporterede papir kunne hydroksylgrupperne på katalysatoroverfladen fremme nedbrydningen af H2O ved at dæmpe O-H-bindingen., 2016). Desuden kan ilt ledig stilling øge ledningsevnen af hendes katalysator og øge adsorptionen af H2O molekyler. Således har koboltoksidpartiklerne god katalytisk ydeevne for hende.

hendes katalytiske aktiviteter af Co1-katalysatoren blev undersøgt i 1,0 M KOH med et repræsentativt tre-elektrodesystem. Sammenligning af polarisationskurver er tilvejebragt i figur 5a sammen med ubehandlet Co-skum og kommerciel Pt/C. alle polarisationskurverne er ohmske potentielle fald (ir) – korrigeret. CO1-katalysatoren viser en dramatisk høj aktivitet med et begyndelsespotentiale på ~40 mV 10 mA cm−2 (Figur 5A), hvilket var sammenligneligt med de rapporterede koboltoksider målt i 1.0 M KOH, såsom Co3O4 nanosheets (49 mV), Cooks (85 mV) (tabel S1). Når hendes nuværende tæthed opnår til 20 mA cm−2, men kun en lille overpotantial som 112 mV. Det blev vist, at koboltoksidet fremmer dissociationen af H2O på grund af den stærkere elektrostatiske affinitet af OH− til Co2+ og Co3+ i alkalisk medium.

figur 5

generelt kan hendes mekanisme ifølge det hastighedsbestemmende trin falde i to grundlæggende typer, Volmer-Tafel og Volmer–Heyrovsky mekanisme. I Volmer-Tafel-teorien dannes for det første den indledende M–h-binding i Volmer-trin, for det andet fulgte dimeriseringen af to adsorberede H i Tafel-trin. Men i Volmer-Heyrovsky-mekanismen reagerer den adsorberede H med protonkilden i alkalisk opløsning i Heyrovsky-trin (Liu et al., 2017). Tafel plot er ofte nyttigt at afspejle elektroden katalytisk ydeevne og evaluere hastigheden bestemmende trin af her mekanisme. Tafel-plottet for hver af polarisationskurverne i figur 5A er vist i figur 5b. Tafel-hældningen på Co1 er 94 mV dec-1, hvilket er bedre end ubehandlet Co−skum (195 mV dec-1). Lav tafelhældning indikerer, at katalysatoren har stærk katalytisk aktivitet. Det indikerer, at HER kan fortsættes via Volmer–Heyrovsky-mekanismen. Stabilitet er væsentlig indikator for at evaluere udførelsen af hendes katalysator. Som vist i figur 5c, D, stabilitetsmålingerne af Co1-prøven indføres ved lineær fejevoltammetri og kronoamperometri. Den minimale dæmpning af polarisationskurverne i figur 5C efter 2000 cyklusser betyder, at Co1-katalysatoren har gunstig elektrokemisk stabilitet i alkalisk medium. Som vist i Sem-billeder af Co1 efter stabilitetsmålingerne (figur S4) optrådte mange huller på den glatte overflade af oktaedrisk katalysator efter 2000-cyklusserne lineær fejevoltammetri test. Som vist i figur 5D kan Co1−katalysatoren desuden holde en stedstrømtæthed på 16,5 ma cm-2 ved et givet overpotentiale (103 mV) i 20 timer.

den fremragende hendes præstation af Co1 kan tilskrives det store overfladeareal, hvilket giver anledning til eksponering af mere katalytiske aktive steder i hende. Desuden afspejler det elektrokemiske aktive overfladeareal (ECSA)direkte elektrokatalysatoraktivitet., 2018). Dobbeltlagskapacitansen (Cdl) ved grænsefladen mellem fast stof og væske blev også målt for at afspejle det effektive reaktionsområde og mængden af aktive steder (Sun et al., 2016). Figur 6A og figur S3 viser CV-mønstrene for Co1 og andre katalysatorer ved forskellige scanningshastigheder. Som vist i figur 6B, tegnet et portræt af de aktuelle tætheder i midten af testspændingsområderne langs de forskellige scanningshastigheder. I hvilke skråninger af monteringslinjer er Cdl af de tilsvarende prøver. Cdl er i direkte forhold til det elektrokemiske overfladeareal af hendes katalysator. Cdl for Co1 er 52,86 mF cm-2, tæt på CDL for Pt/C (74,93 mF cm−2) og større end Cdl for det ubehandlede koboltskum (2,91 mF cm−2). Den store værdi af Cdl garanterer en konkurrencedygtig ECSA og høj hendes effektivitet. Som vist i tabel 1 blev omsætningsfrekvensen (TOF) for Co1−katalysatoren beregnet til at være 0,049 s-1 ved 100 mV ved anvendelse af SBET. Disse TOF-værdier er estimerede værdier. Dette skyldes de specifikke aktive steder og ikke-reaktiv grænseflade forårsaget af partikler kontakt er ubestemt. Det er imidlertid muligt at evaluere katalysatorernes ydeevne baseret på TOF-værdier estimeret ud fra eksperimentelle og teoretiske overfladearealer. Eis-målinger blev udført for yderligere at bestemme den elektrokemiske reaktionsproces af Co1 for hende. Som vist i figur 6C giver Co1 en lille ladningsoverførselsmodstand (Rct) på 6,1 liter, som er lukket for Pt/C (2,9 liter) og lavere end ubehandlet Co-skum (44 liter). Faradisk effektivitet ville udvise udnyttelsen af reaktionsladning. Som vist i figur 6D afslører den kvantitative H2-bestemmelse den Faradiske effektivitet af Co1-katalysator er tilgang til 100%. Det indikerer, at hele afgiften opstået i hendes procedure kunne tjene som at skabe H2.

figur 6

figur 6. (A) cyklisk voltammetri af Co1 ved forskellige scanningshastigheder i den ikke-faradaiske potentielle region; (b) kapacitiv strømtæthed som en funktion af scanningshastighed; (C) Nykvist plots af elektrokemiske impedansspektre i 1 M KOH; (D) Kvantitativ H2-måling via vandforskydning.

tabel 1

tabel 1. Elektrokemiske parametre af forskellige katalysatorer som her katalysator i alkalisk medium.

konklusioner

generelt fremstilles de oktaedriske Kogekatalysatorer på Co-skum gennem den facile hydrotermiske synteseproces. Resultaterne viser, at overfladen af Cooksekatalysatoren har masser af hydroksylgrupper og ilt ledige stillinger, der fremmer hendes katalytiske aktivitet. Cookskatalysatoren viser fremragende elektrokemisk ydeevne for hende. Vores strategi giver en hurtig og enkel metode til at syntetisere den her-katalysator, der brugte det jordrige element.

Datatilgængelighedserklæring

alle datasæt genereret til denne undersøgelse er inkluderet i artiklen / supplerende materiale.

Forfatterbidrag

YV, RS og JC bidrog med udformning og design af undersøgelsen og skrev dele af manuskriptet. YV organiserede databasen. RS udførte den statistiske analyse. JC skrev det første udkast til manuskriptet. Alle forfattere bidrog til manuskriptrevision, læste og godkendte den indsendte version.

Funding

dette arbejde blev støttet af videnskab og teknologi Program af Guangjou, Kina (Grant No. 201903010059).

interessekonflikt

RS blev ansat i virksomheden sikkerheds-og Miljøbeskyttelsesafdeling i Jilin Petrochemical Company, PetroChina, Jilin, Kina. Han var ansat ved Guangdong Polytechnic Normal University, Guangdong, Kina.

supplerende materiale

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.