一种吸氧反应的电催化剂铜钴双金属硒化物的制备及表征

2020-03-11

福建质量管理 2020年5期

(天津师范大学天津 300387)

随着环境和能源问题的日益突出，人们对新能源的开发也越发地关注[1-2]。目前，电解水作为生产氢气的一个重要途径受到人们极大的关注[3]。电解水制氢，是利用电能将水分解，在阴极产生氢气叫析氢反应(HER)，阳极产生氧气叫析氧反应(OER)[4]。大量的研究表明，水氧化反应由于需要进行多步质子耦合的电子转移过程而成为整个电解水反应的瓶颈，因此努力提高水氧化电催化剂的性能显得十分重要。虽然IrO2、RuO2对OER反应具有较高的催化活性，但是由于它成本高和稀缺限制其大规模的利用[5]。因此，探索非贵金属作为OER的催化剂成为了电解水研究的重点。

一、实验部分

(一)化学试剂

Co(NO3)2·6H2O(99.99%),Cu(NO3)2·3H2O(99.99%),尿素，无水乙醇，丙酮和碳纸(CP)均从天津希恩思生化科技有限公司购买。

(二)实验仪器

用D8ADVANCE X射线衍射仪(Bruker,Germany)对样品进行X射线衍射分析。用Nova nano 230(FEI,USA)扫描电子显微镜对合成样品的形貌进行分析。CHI 660E电化学工作站在25℃下进行性能的测试。

(三)材料的合成

1.碳纸(CP)的处理

将市售的20cm×21cm碳纸割成4cm×3cm使用。将割好的碳纸在2.0 M HCL溶液中超声10 min，取出之后在丙酮中超声10 min,然后分别拿二次水和乙醇溶液洗三次，最后将其在80℃下真空干燥12小时。

2.铜钴双金属硒化物的合成

Cu(NO3)2·3H2O(0.2416 g)，Co(NO3)2·6H2O(0.582 g)和尿素(0.9 g)溶解于30 mL的二次水中，并将溶液搅拌30分钟使其溶解。将所得到的溶液倒到50 mL高压釜中，将其在393K的烘箱中保温6个小时。自然冷后，将反应釜中的碳纸取出，并用水跟乙醇洗两次，最后在60℃下干燥10个小时。然后称取0.8g 的硒粉放在瓷舟内并把它放在管式炉的上游，另一个瓷舟放合成的样品置于管式炉的下游，在N2下以2℃·min-1的速率升温，400℃下退火2h。

二、结果与讨论

(一)该催化剂的XRD表征

如图1所示为该材料的 XRD，2θ为30.3°，34.0°，37.4°，43.4°，51.4°，56.3°，58.6°，63.1°,73.6°和75.6°十个不同强度的特征峰分别对应于(Ni,Co,Cu)(Se,S)2立方相的(200)，(210)，(211)，(220)，(311)，(230)，(321)，(400)和(332)晶面(JCPDS no.29-1417)，因此，通过XRD 证明得到的该催化剂是CuCoSe2。

图1 该材料的XRD

(二)CuCoSe2的SEM

如图2所示，CuCoSe2通过SEM可以看出该材料的形貌均匀，并且是由纳米线堆积而成的。

图1 CuCoSe2的SEM

(三)电化学性能的测试

用三电极系统在1.0 M KOH电解质中测试CuSe，CoSe,CuCoSe2和空白碳纸的OER性能。如图3所示，在电流密度为50 mA/cm2的时候，CoSe和CuCoSe2所需要的过电势分别为360和310mV。很明显CuCoSe2的性能比单金属CoSe和CoSe好，比CoSe提高了60 mV，表现出了较好的OER催化性能。