废弃酒糟制备钴氮共掺杂生物炭及其析氧和析氢反应催化性能研究
发布时间:2021-11-05 21:29
开发用于析氧反应(OER)和氢析出反应(HER)的低成本高效催化剂在水分解领域至关重要。以废弃酒糟为碳氮源,通过碳酸钠活化实现氮掺杂和钴纳米粒子负载,同时获得复合催化剂(Co(15)-DS-4)。对比实验分析表明,凭借多孔材料的介微孔结构,表面原子的高暴露特性和活性位点Co-N的协同效应,Co(15)-DS-4表现出优异的HER和OER双功能催化活性。在Co(15)-DS-4催化作用下,碱性电解液中的电极达到10 m A/cm2电流密度需要0.42 V过电压,这远低于商业上贵重的Ru O2催化剂(≈0.5 V)。此外,Co(15)-DS-4具有优异的水分解稳定性,经3 000次循环伏安,Co(15)-DS-4的OER极限扩散电流密度仍能保持97.5%(HER极限扩散电流密度仍能保持98.3%)。这一废弃酒糟衍生碳所构筑的N掺杂多孔碳负载Co纳米粒子复合材料在水电解领域具有巨大的应用潜力。
【文章来源】:节能. 2020,39(05)
【文章页数】:6 页
【部分图文】:
催化剂的SEM,TEM和HRTEM图
4种催化剂的XRD图谱如图2所示,结合DS催化剂衍射图谱,催化剂DS-3、DS-4和DS-5的峰约在26°位置变宽,对应其类石墨结构中的002晶面衍射峰,证明碳酸钠的加入促进碳载体的石墨化。Co(15)-DS-4不仅能观察到类似的石墨化衍射峰,在37°、59°和65°处分别出现了新的衍射峰,通过与Co2p谱图(JCPDS No.43-1003)对比可知,这些新衍射峰依次对应于Co纳米粒子的(311)、(511)、(440)3个晶面。采用XPS对产物表面化学元素及化合价态进行了表征[13]。催化剂的XPS全谱图如图3所示,对比8种产物的全谱图可以得知,Co(15)-DS-4由C、N、O和Co元素组成,其信号峰分别位于284.4eV,398.2eV,531.3eV和780.0 eV处。因此,通过简单的混合碳化处理,催化剂Co(a)-DS-b实现了钴纳米粒子的负载与氮元素自掺杂。
采用XPS对产物表面化学元素及化合价态进行了表征[13]。催化剂的XPS全谱图如图3所示,对比8种产物的全谱图可以得知,Co(15)-DS-4由C、N、O和Co元素组成,其信号峰分别位于284.4eV,398.2eV,531.3eV和780.0 eV处。因此,通过简单的混合碳化处理,催化剂Co(a)-DS-b实现了钴纳米粒子的负载与氮元素自掺杂。不同催化剂的Co和N含量如表1所示,随着钴原子掺杂比例增加,催化剂的氮含量急剧下降,钴原子含量逐渐增加。结合表2可知,为了进一步分析催化剂Co(15)-DS-4水分解催化活性最高的原因,通过拟合计算得到N1s和Co2p成分,发现Co(a)-DS-b的自掺杂氮组分包括吡咯氮(N1:在400.5 eV处)和石墨氮(N2:在401.3 eV处)两部分。而Co2p XPS图谱可拟合为780.3 eV和781.5 eV两个峰,分别对应着Co-C-N和Co-N。当钴原子掺杂比例a=15时,石墨氮和Co-C-N比例逐渐增加到最大值。这可能是碳结构的石墨氮和Co在其表面协同作用形成大量的Co-N-C官能团,进而在水分解催化过程中充当活性位点。当钴原子掺杂比例a=20时,石墨氮和Co-C-N比例开始下降,石墨氮提供促进整个电荷转移过程的价电子就越少。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,可能表现出优异的水分解反应活性。
本文编号:3478539
【文章来源】:节能. 2020,39(05)
【文章页数】:6 页
【部分图文】:
催化剂的SEM,TEM和HRTEM图
4种催化剂的XRD图谱如图2所示,结合DS催化剂衍射图谱,催化剂DS-3、DS-4和DS-5的峰约在26°位置变宽,对应其类石墨结构中的002晶面衍射峰,证明碳酸钠的加入促进碳载体的石墨化。Co(15)-DS-4不仅能观察到类似的石墨化衍射峰,在37°、59°和65°处分别出现了新的衍射峰,通过与Co2p谱图(JCPDS No.43-1003)对比可知,这些新衍射峰依次对应于Co纳米粒子的(311)、(511)、(440)3个晶面。采用XPS对产物表面化学元素及化合价态进行了表征[13]。催化剂的XPS全谱图如图3所示,对比8种产物的全谱图可以得知,Co(15)-DS-4由C、N、O和Co元素组成,其信号峰分别位于284.4eV,398.2eV,531.3eV和780.0 eV处。因此,通过简单的混合碳化处理,催化剂Co(a)-DS-b实现了钴纳米粒子的负载与氮元素自掺杂。
采用XPS对产物表面化学元素及化合价态进行了表征[13]。催化剂的XPS全谱图如图3所示,对比8种产物的全谱图可以得知,Co(15)-DS-4由C、N、O和Co元素组成,其信号峰分别位于284.4eV,398.2eV,531.3eV和780.0 eV处。因此,通过简单的混合碳化处理,催化剂Co(a)-DS-b实现了钴纳米粒子的负载与氮元素自掺杂。不同催化剂的Co和N含量如表1所示,随着钴原子掺杂比例增加,催化剂的氮含量急剧下降,钴原子含量逐渐增加。结合表2可知,为了进一步分析催化剂Co(15)-DS-4水分解催化活性最高的原因,通过拟合计算得到N1s和Co2p成分,发现Co(a)-DS-b的自掺杂氮组分包括吡咯氮(N1:在400.5 eV处)和石墨氮(N2:在401.3 eV处)两部分。而Co2p XPS图谱可拟合为780.3 eV和781.5 eV两个峰,分别对应着Co-C-N和Co-N。当钴原子掺杂比例a=15时,石墨氮和Co-C-N比例逐渐增加到最大值。这可能是碳结构的石墨氮和Co在其表面协同作用形成大量的Co-N-C官能团,进而在水分解催化过程中充当活性位点。当钴原子掺杂比例a=20时,石墨氮和Co-C-N比例开始下降,石墨氮提供促进整个电荷转移过程的价电子就越少。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,可能表现出优异的水分解反应活性。
本文编号:3478539
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