Grenser I Kjemi

Innledning

for å oppnå disse fremtredende katalysatorer, har forskere utforsket mangfoldige metoder. I tillegg til å bruke ultralydsvibrasjon, hydrotermisk, kalsinering og andre metoder, må den også gjennomgå trinn som svovelisering, selenisering, fosfatering eller andre metoder. Som vi alle vet, svovel, selen, fosfor og så videre er alle giftige og brannfarlige under visse forhold, noe SOM hindrer den utbredte bruken av disse katalysatorene FOR HENNE. For å muliggjøre hydrogenutviklingsreaksjonen å være forfremmelse og anvendelse, må katalysatorpreparasjonen være enkel og lett å oppnå industriell produksjon. Derfor er en enkel og enkel forberedelsesmetode en av de viktige oppgavene I utviklingen AV katalysatorene.

blant de mange metalloksidkatalysatorene har koboltoksidet en gunstig aktivitet og stabilitet for HENNE (Wang et al., 2016). På grunn av sin unike elektroniske tilstand viser koboltoksydene den gode elektrokatalytiske aktiviteten (Zhang X. et al., 2018). Inspirert av ovennevnte, har vi her syntetisert oktaediske koboltoksidpartikler ved Hjelp Av Co-skum gjennom den enkle hydrotermiske metoden uten å legge til andre stoffer. Imponerende viser den resulterende katalysatoren gunstige elektrokatalytiske forestillinger og utmerket langsiktig stabilitet FOR HENNE.

Eksperimentelle Detaljer

Syntetisk Prosess

alle kjemiske stoffer i artikkelen var av analytisk karakter og benyttet som oppnådd uten rensebehandling. Co-skum ble anbrakt ved ultralydvibrasjon i henholdsvis 1,5 M saltsyreoppløsning, aceton og sekundært destillert vann i 30 min. Deretter ble Det behandlede Co-skummet og noe omdestillert vann satt i En teflon-lined autoklav (nominell kapasitet 100 mL). Autoklaven ble helbredet og plassert på 200°C for 24 timer. Etter at den hydrotermiske reaksjonen var oppnådd, ble autoklaven naturlig avkjølt naturlig til innetemperatur. Etter fuktet med filterpapir ble Co-skummet utsatt for varme i en vakuumrørovn ved 250°C i 30 minutter. Prøven ble oppnådd etter avkjøling og kalt Co1.

Karakterisering

xrd-data ble oppnådd av Et Bruker D8 Advance røntgendiffraktometer(Cu Ka, l ¼ 1.5418 Å). Overflatemorfologien og mikrostrukturen ble bestemt av skanningelektronmikroskop (FE-SEM, JEOL JSM-6700F) og transmisjonselektronmikroskop (TEM, Tecnai G2 F20). Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) målinger ble undersøkt Av Et Phi V5000 Røntgenfotoelektronspektrometer Med Al-Ka-stråling (hv = 1486.6 eV). Induktivt koblet plasma-atom emisjon spektrometri (ICP-AES) ble utført På En Leeman PROFIL SPEC.

Elektrokjemiske Målinger

alle elektrokjemiske målinger ble utført PÅ EN CHI 760E elektrokjemisk arbeidsstasjon (Shanghai Chenhua) i et standard tre-elektrodesystem. Co-skumprøven ble brukt som arbeidselektrode, en grafittplate ble brukt som motelektrode og den mettede calomelelektroden (SCE) ble brukt som referanseelektrode. For alle elektrokjemiske tester ble elektrolytten (1,0 M KOH) kontinuerlig boblet av nitrogen med høy renhet under forsøket. Alle lineære feie voltammetri (LSV) tester ble utført med en jevn skannehastighet på 5 mV s-1. Elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS) ble utført i frekvensområdet fra 105 til 0,01 Hz under åpen kretspotensial. Syklisk voltammogram (CV) ble påvist ved forskjellige skannehastigheter (20, 40, 60, 80, 100, 120 mV s-1). Stabilitetsmålinger ble karakterisert ved kronopotentiometrisk metode. Videre ble alle potensialene nevnt i artikkelen kalibrert vs. reversibel hydrogenelektrode (RHE) i henhold til formelen E (RHE) = E (SCE) + 0,0591 pH + 0.2415−0.000761*(T−298.15).

Resultater og Diskusjon

Figur 1 viser x-ray diffraksjon (XRD) karakterisering Av Co1catalyst. Hovedkomponentene i materialet kan avledes FRA XRD-testresultatene. Som vist i Figur 1, er diffraksjonsvinklene til 31°, 37°, 45°, 59°, og 65° i xrd-kurven tilsvarer standard diffraksjonstoppen Av Co3O4 (PDF.43-1003), henholdsvis. Spadene av diffraksjonstopper tilsvarer Røntgendiffraksjonstoppen av ubehandlet koboltskum (Figur S1). Diffraksjonstoppen på 52° tilskrives også ubehandlet koboltskum. Og toppen som vises på 62° tilhører CoO.

FIGUR 1

Figur 1. Xrd mønstre Av Co1.

Figur 2 viser SEM-bildet Av Co1. Som vist på bildet, octahedral CoOx partikler dekket på skjelettet av kobolt skum. Disse partikkelstørrelsene er for det meste om lag 1 til 3 µ De høyoppløselige tem-bildene og partiklene som er skilt Fra Co1, er vist i Figur 3. Fra gitterkantene avslører en interplanar avstand på 0,46 nm, som tilhører (111) planet Av Co3O4. EDS-dataene (Figur S2 Og Tabell S2) indikerer At Co-elementinnholdet skal være 64 wt%. RESULTATET oppnådd AV EDS er nesten lik ICP-AES (Co 65 wt%). Dette skyldes trolig en massiv hydroksylgrupper på prøveoverflaten.

FIGUR 2

Figur 2. SEM bilder Av Co1.

figur 3

Figur 3. (a) tem bilde Av Co1 katalysator; (b) høyoppløselig tem bilde Av Co1 katalysator.

Mer informasjon om sammensetningen og valenstilstanden til prøven ble oppnådd VED XPS. 2p spektra Av Co og 1s spektra Av O er vist I Figur 4 som kalibrert Med En C 1s topp på 284 eV. Det høyoppløselige kjernespekteret For Co 2p, hvor toppene på 780 og 798 eV tilhører Co 2p3 / 2 og 2p1/2 topp I Co3O4 (Cheng et al., 2013). De To Co 2p toppene kan dekonvolueres i fire sub-topper på 778, 781, 795 og 799 eV, som representerer signaturer Av Co3+ Og Co2+, henholdsvis (Xu et al., 2016). Disse verdiene er i samsvar Med co2p-tilstanden, noe Som tyder På At Co 2p er avledet Fra CoO. I Tillegg er det to satellitttopper ved 785 eV og 805 eV I Figur 4 indikerer at det meste Av Co-elementet i sluttproduktet Er Co2 + kation (Lv et al., 2018). Dette representerer at Det er en høy konsentrasjon Av Co2+ på Overflaten Av Co3O4. Derfor kan det komme til den konklusjon at det er mange mye oksygen ledig stilling for å nøytralisere elektroner FOR HENNE.

FIGUR 4

Figur 4. XPS spektra Av Co 2p Og O 1s.

for Høyoppløselig o 1s spektrum tilsvarer toppen sentrert ved 528 eV gitteret oksygen I Co3O4, og toppen ved 532 eV er relatert til hydroksylgrupper eller oksygen ledig på overflaten. Videre er brødtoppen på 533.5 eV kan tilskrives absorbert oksygen på overflaten Av Co1 katalysator. Maksimal intensitet av hydroksylgrupper er mye større enn toppintensiteten av absorbert oksygen, noe som tyder på at det er mye overflatehydroksylgrupper og oksygen ledig stilling på prøveoverflaten. Ifølge det rapporterte papiret kan hydroksylgruppene på katalysatoroverflaten fremme dekomponeringen AV H2O ved å dempe O – h-bindingen (Xu et al., 2016). Videre kan oksygen ledigheten øke ledningsevnen TIL katalysatoren og øke adsorpsjonen AV H2O-molekyler. Dermed har koboltoksidpartiklene god katalytisk ytelse for HENNE.

HER katalytiske aktiviteter Av Co1 katalysatoren ble undersøkt i 1.0 M KOH med et representativt tre-elektrodesystem. Sammenligning av polarisasjonskurver er gitt I Figur 5A sammen med ubehandlet Co-skum og kommersiell Pt / C. alle polarisasjonskurver er ohmisk potensiell dråpe (iR)-korrigert. Co1-katalysatoren viser en dramatisk høy aktivitet med et startpotensial på ~40 mV 10 mA cm-2 (Figur 5a), som var sammenlignbar med de rapporterte koboltoksidene målt i 1.0 M KOH, Som Co3O4 nanosheets (49 mV), CoOx (85 mV) (Tabell S1). NÅR hennes nåværende tetthet oppnår til 20 mA cm-2, men bare en liten overpotantial som 112 mV. Koboltoksidet ble vist å fremme dissosiasjonen AV H2O på grunn av den sterkere elektrostatiske affiniteten TIL OH− Til Co2+ Og Co3+ i alkalisk medium.

FIGUR 5

GENERELT, i henhold til rate-bestemme trinn, den her mekanisme kan falle inn i to hovedtyper, Volmer-Tafel og Volmer–Heyrovsky mekanisme. I Volmer-Tafel-teorien dannes Først Den første M-H-bindingen I Volmer-trinn, for det andre fulgte dimeriseringen av to adsorberte H I Tafel-trinn. Men I Volmer-Heyrovsky-mekanismen reagerer den adsorberte H med protonkilden i alkalisk løsning I Heyrovsky-trinnet (Liu Et al., 2017). Tafel-plottet er ofte nyttig for å reflektere elektroden katalytisk ytelse og evaluere hastighetsbestemmende trinn I her-mekanismen. Tafel-plottet for hver av polarisasjonskurvene I Figur 5a er presentert I Figur 5B. Tafel skråningen Av Co1 er 94 mV dec-1, som er bedre enn ubehandlet Co skum (195 mV dec−1). Lav Tafel helling indikerer katalysatoren har sterk katalytisk aktivitet. Det indikerer at HER kan bli videreført via Volmer-Heyrovsky-mekanismen. Stabilitet er betydelig indikator for å evaluere ytelsen til katalysatoren. SOM vist I Figurene 5C, D, stabilitetsmålinger Av co1 prøven er innlemmet ved lineær feie voltammetri og chronoamperometry. Den minimale demping av polarisasjonskurver I Figur 5c etter 2000 sykluser betyr At Co1 katalysator besitter gunstig elektrokjemisk stabilitet i alkalisk medium. Som vist I SEM-bilder Av Co1 etter stabilitetsmålinger (Figur S4), oppstod mange hull på den glatte overflaten av oktaedisk katalysator etter 2000-syklusene lineær feie voltammetri test. I Tillegg, som vist I Figur 5D, Co1 katalysator kan holde en sted strøm tetthet på 16.5 mA cm-2 på en gitt over-potensial (103 mV) for 20 h.den utmerkede ytelsen Til Co1 kan tilskrives det store overflatearealet, noe som gir opphav til eksponering av flere katalytiske aktive steder i HER. Videre reflekterer det elektrokjemiske aktive overflatearealet (ECSA) direkte elektrokatalystaktivitet (Wei et al., 2018). Dobbeltlags kapasitans (Cdl)ved grensesnittet mellom fast og flytende ble også målt for å reflektere den effektive reaksjonsområdet og mengden av aktive områder (Sun et al., 2016). Figur 6A Og Figur S3 viser CV mønstre Av Co1 og andre katalysatorer på ulike skannehastigheter. SOM vist I Figur 6B, tegnet et portrett av dagens tettheter i midten av testspenningsområdene langs de forskjellige skannehastighetene. I hvilke skråninger av monteringslinjer Er Cdl av de tilsvarende prøvene. Cdl er i direkte forhold til det elektrokjemiske overflatearealet AV katalysatoren. Cdl Av Co1 er 52.86 mF cm-2, nær Cdl Av Pt / C (74.93 mF cm-2), og større Enn Cdl av ubehandlet kobolt skum (2.91 mF cm-2). Den store verdien Av Cdl garanterer en konkurransedyktig ECSA og høy effektivitet. Som vist i Tabell 1, VED BRUK AV SBET, ble omsetningsfrekvensen (TOF) For Co1 katalysator beregnet til å være 0,049 s−1 ved 100 mV. DISSE TOF-verdiene er estimerte verdier. Dette skyldes at spesifikke aktive steder og ikke-reaktivt grensesnitt forårsaket av partikkelkontakt er ubestemt. Det er imidlertid mulig å evaluere ytelsen til katalysatorer basert PÅ TOF-verdier estimert fra eksperimentelle og teoretiske overflater. EIS-målinger ble utført for ytterligere å bestemme den elektrokjemiske reaksjonsprosessen Av Co1 for HENNE. Som vist I Figur 6C gir Co1 en liten overføringsmotstand (Rct) på 6.1 Ω, som er lukket for Pt/C (2.9 Ω) og lavere enn ubehandlet Co-skum (44 Ω). Faradisk effektivitet ville vise bruken av reaksjonsladning. Som vist I Figur 6d, viser kvantitativ h2 bestemmelse Faradisk effektiviteten Av Co1 katalysator er tilnærming til 100%. Det indikerer at hele ladningen oppstått I hennes prosedyre kunne tjene som å skape H2.

FIGUR 6

Figur 6. (A) Syklisk voltammetri Av Co1 ved forskjellige skannehastigheter i den ikke-faradaiske potensielle regionen; (B) Kapasitiv strømtetthet som en funksjon av skannehastighet; (C) Nyquist plott av elektrokjemiske impedansspektra i 1 M KOH; (D) Kvantitativ h2 måling via vannforskyvning.

TABELL 1

Tabell 1. Elektrokjemiske parametere av forskjellige katalysatorer som HER katalysator i alkalisk medium.

Konklusjoner

generelt fremstilles oktaediske CoOx-katalysatorer på Co-skum gjennom den enkle hydrotermiske synteseprosessen. EDS og XPS resultater viser at overflaten Av CoOx katalysatoren har rikelig med hydroksylgrupper og oksygen ledig de videre hennes katalytisk aktivitet. CoOx catalyst viser utmerket elektrokjemisk ytelse FOR HENNE. Vår strategi gir en rask og enkel metode for å syntetisere her katalysator brukt jorden-rikelig element.

Data Availability Statement

alle datasett generert for denne studien er inkludert i artikkelen / Supplerende Materiale.

Forfatterbidrag

YW, RS og JC bidro med oppfattelse og utforming av studien og skrev deler av manuskriptet. YW organisert databasen. RS utførte den statistiske analysen. JC skrev det første utkastet til manuskriptet. Alle forfattere bidro til manuskript revisjon, lese, og godkjent den innsendte versjonen.

Finansiering

dette arbeidet ble støttet Av Vitenskap Og Teknologi Program I Guangzhou, Kina (Grant No. 201903010059).

Interessekonflikt

RS var ansatt i Selskapet Sikkerhet Og Miljøvern Divisjon Av Jilin Petrokjemisk Selskap, PetroChina, Jilin, Kina. YW og JC ble ansatt Ved Guangdong Polytechnic Normal University, Guangdong, Kina.

Supplerende Materiale

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert.