gränser i kemi

introduktion

för att erhålla dessa framstående katalysatorer har forskare utforskat mångskiftande metoder. Förutom att använda ultraljudsvibrationer, hydrotermisk, kalcinering och andra metoder måste den också genomgå steg som sulfurisering, selenisering, fosfatering eller andra metoder. Som vi alla vet är svavel, selen, fosfor och så vidare alla giftiga och brandfarliga under vissa förhållanden, vilket hindrar den utbredda användningen av dessa katalysatorer för henne. För att väteutvecklingsreaktionen ska kunna främjas och appliceras måste dess katalysatorberedning vara enkel och lätt att uppnå industriell produktion. Därför är en enkel och enkel förberedelsemetod en av de viktiga uppgifterna i utvecklingen av hennes katalysatorer.bland de många metalloxidkatalysatorerna har koboltoxiden en gynnsam aktivitet och stabilitet för henne (Wang et al., 2016). På grund av dess unika elektroniska tillstånd visar koboltoxiderna den goda elektrokatalytiska aktiviteten (Zhang X. et al., 2018). Inspirerad av ovan nämnda har vi här syntetiserat oktaedriska koboltoxidpartiklar med användning av Co-skum genom den enkla hydrotermiska metoden utan att tillsätta några andra ämnen. Imponerande avslöjar den resulterande katalysatorn gynnsamma elektrokatalytiska prestanda och utmärkt långsiktig stabilitet för henne.

experimentella detaljer

syntetisk Process

alla kemiska ämnen i artikeln var av analytisk kvalitet och användes som erhållna utan reningsbehandling. Co-skum anordnades genom ultraljudsvibrationer i 1,5 M saltsyralösning, aceton och sekundärt destillerat vatten för 30 min, respektive. Sedan placerades det behandlade Co-skummet och lite omdestillerat vatten i en Teflonfodrad autoklav (nominell kapacitet 100 mL). Autoklaven läktes och placerades vid 200 C i 24 timmar. Efter den hydrotermiska reaktionen uppnåddes kyldes autoklaven naturligt naturligt till inomhustemperatur. Efter fuktat med filterpapper utsattes Co-skummet för värme i en vakuumrörsugn vid 250 kcal C i 30 minuter. Provet erhölls efter kylning och namngavs Co1.

karakterisering

XRD-data erhölls med en Bruker D8 Advance Röntgendiffraktometer(Cu Ka, l 2,5418 1,5 X18 XCG). Ytmorfologin och mikrostrukturen bestämdes genom scanningelektronmikroskop (FE-SEM, JEOL JSM-6700f) och transmissionselektronmikroskop (TEM, Tecnai G2 F20). Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) mätningar undersöktes med en Phi V5000 Röntgenfotoelektronspektrometer med Al-Ka–strålning (hv = 1486,6 eV). Induktivt kopplad plasma-atomemissionsspektrometri (ICP-AES) utfördes på en Leeman profil SPEC.

elektrokemiska mätningar

alla elektrokemiska mätningar utfördes på en CHI 760e elektrokemisk arbetsstation (Shanghai Chenhua) i ett standardsystem med tre elektroder. Co-skumprovet användes som arbetselektrod, en grafitplatta användes som motelektrod och den mättade kalomelelektroden (SCE) användes som referenselektrod. För alla elektrokemiska tester bubblades elektrolyten (1,0 m KOH) kontinuerligt av kväve med hög renhet under experimentet. Alla linjära svep voltammetri (LSV) tester utfördes med en enhetlig skanningshastighet på 5 mV s−1. Elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) utfördes i frekvensomfånget från 105 till 0,01 Hz under öppen kretspotential. Cykliskt voltammogram (CV) detekterades vid olika skanningshastigheter (20, 40, 60, 80, 100, 120 mV s-1). Stabilitetsmätningarna kännetecknades av kronopotentiometrisk metod. Vidare kalibrerades alla potentialer som nämns i artikeln mot reversibel väteelektrod (RHE) enligt formeln E (RHE) = e (SCE) + 0,0591 pH + 0.2415−0.000761*(T−298,15).

resultat och diskussion

Figur 1 visar röntgendiffraktion (XRD) karakterisering av Co1catalyst. Huvudkomponenterna i materialet kan härledas från XRD-testresultaten. Såsom visas i Figur 1, diffraktionsvinklarna för 31°, 37°, 45°, 59°, och 65 kcal i XRD-kurvan motsvarar standarddiffraktionstoppen för Co3O4 (PDF.43-1003), respektive. Spader av diffraktionstoppar motsvarar Röntgendiffraktionstoppen för obehandlat koboltskum (figur S1). Diffraktionstoppen på 52 kg tillskrivs också obehandlat koboltskum. Och toppen som dyker upp vid 62 kcal tillhör CoO.

figur 1

Figur 1. XRD mönster av Co1.

Figur 2 visar SEM-bilden av Co1. Som visas på bilden täckte oktaedriska Cooxpartiklar på skelettet av koboltskum. Dessa partikelstorlekar är mestadels ca 1 till 3 occurm. De högupplösta tem-bilderna och partiklarna skalade från Co1 visas i Figur 3. Från gitterkanten avslöjar ett interplanärt avstånd på 0,46 nm, som tillhör (111) planet för Co3O4. EDS-data (figur S2 och tabell S2) indikerar att Co-elementinnehållet ska vara 64 wt%. Resultatet erhållet av EDS är nästan lika med ICP-AES (Co 65 wt%). Detta beror förmodligen på massiva hydroxylgrupper på provytan.

figur 2

Figur 2. SEM bilder av Co1.

figur 3

Figur 3. (a) tem-bild av Co1-katalysator; (b) högupplöst TEM-bild av Co1-katalysator.

Mer information om provets sammansättning och valenstillstånd erhölls med XPS. 2P-spektra av Co och 1s-spektra av O visas i Figur 4 som kalibreras med en C 1s-topp på 284 eV. Det högupplösta kärnspektrumet för Co 2p, där topparna vid 780 och 798 eV tillhör Co 2P3/2 och 2P1/2 topp i Co3O4 (Cheng et al., 2013). De två Co 2p-topparna kan dekonvolveras i fyra undertoppar vid 778, 781, 795 och 799 eV, som representerar signaturer av Co3+ respektive Co2+ (Xu et al., 2016). Dessa värden är i enlighet med Co2p-tillståndet, vilket tyder på att Co 2p härrör från CoO. Dessutom finns det två satellittoppar vid 785 eV och 805 eV i Figur 4 indikerar att det mesta av Co-elementet i slutprodukten är Co2+ katjon (Lv et al., 2018). Detta representerar att det finns en hög koncentration av Co2+ på ytan av Co3O4. Därför kan det komma till slutsatsen att det finns många mycket syre vakans för att neutralisera elektroner för henne.

figur 4

Figur 4. XPS-spektra av Co 2p och O 1s.

För o 1s-spektrumet med hög upplösning motsvarar toppen centrerad vid 528 eV gittersyret i Co3O4, och toppen vid 532 eV är relaterad till hydroxylgrupper eller syre vakans på ytan. Dessutom bröd topp på 533.5 eV kan tillskrivas absorberat syre på ytan av Co1-katalysator. Toppintensiteten hos hydroxylgrupper är mycket större än toppintensiteten hos absorberat syre, vilket tyder på att det finns en hel del ythydroxylgrupper och syrevakans på provytan. Enligt det rapporterade papperet kan hydroxylgrupperna på katalysatorytan främja nedbrytningen av H2O genom att dämpa O-H-Bindning (Xu et al., 2016). Dessutom kan syrevakansen öka konduktiviteten hos hennes katalysator och öka adsorptionen av H2O-molekyler. Således har koboltoxidpartiklarna god katalytisk prestanda för henne.

hennes katalytiska aktiviteter för Co1-katalysatorn undersöktes i 1,0 m KOH med ett representativt treelektrodsystem. Jämförelse av polarisationskurvor tillhandahålls i Figur 5A tillsammans med obehandlat Co-skum och kommersiell Pt/C. alla polarisationskurvorna är ohmiska potentialfall (iR) – korrigerade. CO1-katalysatorn visar en dramatiskt hög aktivitet med en startpotential på ~40 mV 10 mA cm−2 (Figur 5A), vilket var jämförbart med de rapporterade koboltoxiderna uppmätta i 1.0 m KOH, såsom Co3O4 nanosheets (49 mV), CoOx (85 mV) (tabell S1). När hennes strömtäthet uppnår till 20 mA cm−2, men bara en liten overpotantial som 112 mV. Koboltoxiden visade sig främja dissociationen av H2O på grund av den starkare elektrostatiska affiniteten hos OH− till Co2+ och Co3+ i alkaliskt medium.

figur 5

i allmänhet kan HER-mekanismen enligt det hastighetsbestämmande steget delas in i två grundläggande typer, Volmer–Tafel och Volmer–Heyrovsky-mekanismen. I Volmer-Tafel-teorin bildas för det första den initiala M–H-bindningen i Volmer-steg, för det andra följde dimeriseringen av två adsorberade H i Tafel-steg. Men i Volmer-Heyrovsky-mekanismen reagerar den adsorberade H med protonkällan i alkalisk lösning i Heyrovsky-steget (Liu et al., 2017). Tafel-plot är ofta användbart för att återspegla elektrodkatalytisk prestanda och utvärdera hastighetsbestämningssteget för Her-mekanismen. Tafel-diagrammet för var och en av polarisationskurvorna i Figur 5A presenteras i Figur 5b. Tafel-lutningen för Co1 är 94 MV dec−1, vilket är överlägsen den för obehandlat Co-skum (195 MV dec-1). Låg Tafel lutning indikerar katalysatorn har stark katalytisk aktivitet. Det indikerar att HER kan fortsätta via Volmer–Heyrovsky-mekanismen. Stabilitet är en viktig indikator för att utvärdera prestandan hos hennes katalysator. Som visas i figurerna 5C,D, stabilitetsmätningarna av Co1-provet induceras av linjär svepvoltammetri och kronoamperometri. Den minimala dämpningen av polarisationskurvorna i Figur 5C efter 2000 cykler betyder att Co1-katalysator har gynnsam elektrokemisk stabilitet i alkaliskt medium. Som visas i SEM-bilder av Co1 efter stabilitetsmätningarna (figur S4) uppträdde många luckor på den släta ytan av oktaedrisk katalysator efter 2000-cyklerna linjär svep voltammetri test. Dessutom, som visas i Figur 5D, kan Co1-katalysator hålla en stead strömtäthet vid 16.5 mA cm−2 vid en given överpotential (103 mV) för 20 h.

den utmärkta hennes prestanda av Co1 kan tillskrivas den stora ytan, vilket ger upphov till exponering av mer katalytiskt aktiva platser i henne. Dessutom återspeglar den elektrokemiska aktiva ytan (ECSA) direkt elektrokatalysatoraktivitet (Wei et al., 2018). Dubbelskiktskapacitansen (Cdl) vid gränssnittet mellan fast och vätska mättes också för att återspegla det effektiva reaktionsområdet och mängden aktiva platser (Sun et al., 2016). Figur 6A och figur S3 visar CV-mönstren för Co1 och andra katalysatorer vid olika skanningshastigheter. Såsom visas i Figur 6B, dras ett porträtt av de aktuella tätheter i mitten av testspänningsområden längs de olika skanningshastigheter. I vilka sluttningarna av passande linjer är Cdl av motsvarande prover. Cdl är i direkt proportion till den elektrokemiska ytan av hennes katalysator. Cdl av Co1 är 52,86 MF cm-2, Nära CDL av Pt/C (74,93 MF cm−2) och större än Cdl av obehandlat koboltskum (2,91 MF cm−2). Det stora värdet av Cdl garanterar en konkurrenskraftig ECSA och hög effektivitet. Som visas i Tabell 1, med användning av SBET, beräknades omsättningsfrekvensen (TOF) för Co1−katalysator vara 0,049 s-1 vid 100 mV. Dessa TOF-värden är uppskattade värden. Detta beror på att de specifika aktiva platserna och icke-reaktivt gränssnitt som orsakas av partikelkontakt är obestämda. Det är emellertid möjligt att utvärdera katalysatorernas prestanda baserat på TOF-värden uppskattade från experimentella och teoretiska ytor. Eis-mätningar utfördes för att ytterligare bestämma den elektrokemiska reaktionsprocessen för Co1 för henne. Såsom visas i Figur 6C, ger Co1 en liten laddningsöverföringsresistens (Rct) på 6,1 KG, som är stängd för Pt/C (2,9 kg) och lägre än obehandlat Co-skum (44 kg). Faradisk effektivitet skulle uppvisa utnyttjandet av reaktionsladdning. Som visas i Figur 6D avslöjar den kvantitativa H2-bestämningen den Faradiska effektiviteten hos Co1-katalysatorn är tillvägagångssätt för 100%. Det indikerar att hela laddningen som uppstått i hennes förfarande kan tjäna som att skapa H2.

figur 6

Figur 6. (A) cyklisk voltammetri av Co1 vid olika skanningshastigheter i den icke-faradaiska potentiella regionen; (B) kapacitiv strömtäthet som en funktion av skanningshastigheten; (C) Nyquist-tomter av elektrokemiska impedansspektra i 1 m KOH; (D) kvantitativ H2-mätning via vattenförskjutning.

tabell 1

tabell 1. Elektrokemiska parametrar för olika katalysatorer som her katalysator i alkaliskt medium.

slutsatser

i allmänhet framställs de oktaedriska CoOx-katalysatorerna på Co-skum genom den enkla hydrotermiska syntesprocessen. EDS-och XPS-resultat avslöjar att ytan på CoOx-katalysatorn har gott om hydroxylgrupper och syrevakans som ytterligare hennes katalytiska aktivitet. CoOx-katalysatorn visar utmärkt elektrokemisk prestanda för henne. Vår strategi ger en snabb och enkel metod för att syntetisera her-katalysatorn som använde det jordrika elementet.

datatillgänglighet uttalande

alla dataset som genereras för denna studie ingår i artikeln/kompletterande Material.

Författarbidrag

YW, RS och JC bidrog med utformning och utformning av studien och skrev delar av manuskriptet. YW organiserade databasen. RS utförde den statistiska analysen. JC skrev det första utkastet till manuskriptet. Alla författare bidrog till manuskriptrevision, läste och godkände den inlämnade versionen.

finansiering

detta arbete stöddes av Vetenskaps-och Teknikprogrammet i Guangzhou, Kina (Grant No.201903010059).

intressekonflikt

RS var anställd av företaget Safety and Environmental Protection Division I Jilin Petrochemical Company, PetroChina, Jilin, Kina. YW och JC anställdes av Guangdong Polytechnic Normal University, Guangdong, Kina.

kompletterande Material

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.