Page 169 - 《精细化工》2022年第1期
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第 1 期                TAUQEER Ahmad，等:  螺线形碳纳米纤维基整体式催化剂活性载体                               ·159·


            的黏结剂导电性较低、稳定性不良，因此在大电流操                            15 min。清洗后的泡沫镍（1 cm×1 cm）用混合酸
            作时，产气反应容易使得催化材料从导电的集流子表                            〔V(高氯酸)∶V(冰醋酸)∶V(硝酸)∶V(硫酸)=3∶
            面脱落   [17-20] 。直接从电极基底表面生长 CNFs 这种整                1∶1∶1〕刻蚀。刻蚀完成后，用去离子水洗涤。然
            体式结构避免了黏结剂的使用，有可能改善催化材料                            后，将刻蚀后的泡沫镍置于石英舟中，在水平石英
            的导电性和稳定性。此外，这种直接生长的 CNFs 能                         管（内径 3.3 cm，长度 1.20 m）CVD 系统中进行反应。
            够避免颗粒的团聚，其具有较大的电化学面积和稳定                            整个反应过程中通氩气（400 mL/min）作为保护气。
            性，在实验中具体体现就是长时间反应过程中，材料                            刻蚀后的泡沫镍在 500 ℃下预热 30 min，升温至 710
            的双电层电容的衰减比较小             [21-23] ，这对于催化剂载体         ℃时通入 15 min (40 mL/min)乙炔作为碳源，在 710
            而言是十分必要的。除了避免使用黏结剂，可以提高                            ℃下保温 1 h。待反应炉管和其中的石英舟冷却到室
            导电性以外，一维碳纳米结构本身的导电性也非常                             温后，采用称量法测定反应前后样品的 CNFs 沉积
            好，优于经常被作为电极材料使用的活性炭                    [24-27] 。   量。经计算，沉积量为 15.12 mg。
                 在本工作中，采用 CVD 方法在不使用黏合剂的                       1.3   电化学性能表征
            条件下，以泡沫镍为基底制备了整体式的 CNFs/NF                             本文中提到的所有电位都已经校准到相对可逆
            催化剂载体。作为载体的 CNFs 具有高电导率、高                          氢电极（RHE）的电位。测量得到的电位（相对
            电化学活性面积的特性，且在未负载催化剂时即对                             Hg/HgO 电极）通过 Nernst 方程〔式（1）〕校准到
            OER 具有一定的催化活性，是一种十分具有应用前                           RHE 电位：
            景的催化材料。
                                                                                                0
                                                                      E RHE  = E Hg/HgO  + 0.059×pH + E Hg/HgO    （1）
            1   实验部分                                           其中：E RHE 是校准后的 RHE 电位，V；E Hg/HgO 是实
                                                                                                        0
                                                               验测量得到的相对 Hg/HgO 电极的电位，V；E Hg/HgO
            1.1   试剂与仪器                                        是 Hg/HgO 电极的标准电位，0.098 V。因此，在
                 泡沫镍（质量分数 99.9%），太原力之源电池材                      1 mol/L KOH 溶液中，按式（2）计算 E RHE 。
            料有限公司；六水硫酸镍（NiSO 4 •6H 2 O，AR，质量                               E RHE  = E Hg/HgO  + 0.924 V   （2）
            分数 98.5%）、冰乙酸（C 2 H 4 O 2 ，AR，质量分数
                                                                   所有电化学测量均在室温下三电极体系中进
            99.5% ）， 国 药 集 团 化学试 剂有 限公司 ；乙 醇
                                                               行。铂片作对电极，Hg/HgO 电极作参比电极。将
            （C 2 H 5 OH，体积分数 95%）、硫酸（H 2 SO 4 ，GR，
                                                               尺寸为 1 cm×1 cm 的表面负载了 CNFs 的泡沫镍作
            质量分数 95%~98%）、盐酸（HCl，AR，质量分数
                                                               为工 作电 极。 使用 电化 学工 作站 （ Autolab
            38%）、磷酸（H 3 PO 4 ，AR，质量分数 85%），天津
                                                               PGSTAT302N/FRA 型电化学工作站，瑞士万通公司）
            市科密欧化学试剂有限公司；硝酸（HNO 3 ，AR，
                                                               在 1 mol/L KOH 溶液中使 用线 性 扫 描 伏 安 法
            质量分数 68%~70%），天津市大茂化学试剂厂；氢
                                                               （LSV）、循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）
            氧化钾（KOH，GR，质量分数 95%），上海麦克林
                                                               进行电化学性能测试。在测试开始前，对所有催化
            生化科技有限公司；高氯酸（HClO 4 ，ACS 试剂，
                                                               剂以 50 mV/s 的扫描速率在 0.306~0.756 V  vs.
            质量分数 70%），Sigma-Aldrich 公司；Ar（体积分
                                                               Hg/HgO 的电位范围内循环扫描 30 次，以使催化剂
            数 99%）、乙炔（C 2 H 2 ，体积分数 99%），中国科学
                                                               达到相对稳定的状态。为方便起见，工作中所有电
            院大连化学物理研究所；去离子水（18 MΩ/cm）。
                                                               位都通过内阻（IR）补偿进行了校正（其中，R 是
            所有化学品均直接使用，未经进一步提纯。
                                                               指由催化剂、电解液和装置接触电阻产生的串联电
                 D/MAX 2400 X 射线粉末衍射仪（XRD），日
                                                               阻，并通过 EIS 进行测量）。此外，工作中的所有电位
            本理学公司，Cu K α （λ=0.15418 nm），扫描范围 2θ=
                                                               均根据式（1）校准为相对 RHE 的电位。
            5°~80°，扫描速率为 8(°)/min，步长 0.02°；Nova Nano
                                                                   在 100 kHz～0.1 Hz 的频率下，280 mV 的过电
            SEM 450 场发射扫描电子显微镜（FESEM），美国
                                                               位下进行 EIS 测量。CV 数据采集范围为 0.066~
            FEI 公司；CM200 透射电子显微镜（TEM），德国
                                                               0.166 V vs. Hg/HgO，扫描速率为 20~200 mV/s。
            飞利浦公司；ESCALAB 250 X 射线光电子能谱仪
            （XPS，Al K α = 1486.6 eV）、DXR Microscope 拉曼         2   结果与讨论
            光谱（Raman），美国 Thermo Fisher Scientific 公司。
            1.2   电极制备                                         2.1   SEM 与 TEM 测试
                 CNFs/NF 电极的制备：为了去除表面污染物，                          利用 FESEM 对 710  ℃，用 CVD 在泡沫镍上制
            将泡沫镍用 0.1 mol/L 盐酸清洗，然后在乙醇中超声                      备的碳纤维的形貌进行测试，如图 1 所示。由图 1
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