Page 156 - 《精细化工》2022年第3期
P. 156

·578·                             精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 39 卷

                 典型的电解水系统包括阴极的析氢反应（HER）                        酸，国药集团化学试剂有限公司。所有试剂均为分析
            和阳极析氧反应（OER），OER 涉及 4 个电子转移                        纯，使用前未作进一步处理；实验中用水均为自制去
                                                                                                          3
            等过程，动力学缓慢，能量消耗高，严重影响电催                             离子水；泡沫镍（丝径 1.6 mm，体积密度 0.51 g/cm ），
                         [5]
            化分解水效率 。研究者们致力于开发高效电催化                             苏州中迪泰金属材料有限公司。
            剂以降低析氧电位和提高反应效率，贵金属氧化物                             1.2   电极的制备
                                                 [6]
            （RuO 2 和 IrO 2 ）是当前 OER 基准催化剂 ，但高成                 1.2.1  CoNi-LDH@NF 电极的制备
            本和稀缺性严重阻碍其实际推广。近年来，层状双                                 首先对镍网进行预处理，具体步骤为：将镍网
                                              [7]
            金属氢氧化物（LDH）受到广泛关注 ，特别是具                            裁剪为 1 cm×4 cm 长方形。依次用浓度为 3.0 mol/L
                                                        [8]
            有良好导电性和丰富活性中心的 Co 和 Ni 基 LDH 。                     的盐酸、无水乙醇、去离子水各超声清洗 0.5 h，于
            然而，LDH 堆叠的层状结构在反应过程中电化学活                           60  ℃烘箱中干燥 6 h，记作 NF。
                                                     [9]
            性区域容易变小，导致活性位点利用率不高 ，这                                 将 Co(NO 3) 2•6H 2O（0.1 mmol，0.291 g）、Ni(NO 3) 2•
            制约了 LDH 的应用进程。研究者们采用各种策略改
                                                               6H 2 O（0.05 mmol，0.145 g）、CO(NH 2 ) 2 （0.2 mmol，
            善 LDH 催化性能，例如：结构重建、成分优化、电                          0.120 g）、NH 4 F（0.1 mmol，0.037 g）溶于 75 mL
            子调控以及界面工程等          [10-11] 。但目前 Ni 和 Co 基的
                                                               去离子水中，磁力搅拌 0.5 h 形成均匀溶液，将溶液
            LDH 仍不能满足实际应用的需求。另一方面，羟基
                                                               和 NF 一起转入 100 mL 带聚四氟乙烯内衬的不锈钢
            氢氧化物 MOOH（M=Fe、Ni 等）具有较高的电负
            性和对含氧中间体的吸附能力              [12] ，在 OER 过程中有        高压釜中，140  ℃反应 6 h。反应结束后，待其自然
            较高的转换频率（TOF）。WANG 等              [13] 通过 FeOOH     冷却至室温，用去离子水和无水乙醇交替清洗 5 次，
                                                               最后放入恒温干燥箱（60  ℃，6 h）中烘干，得到
            偶联增加 CoV-LDH 的固有活性，制备的复合催化
                                                        2+
            剂具有优异的电催化性能，建构的理论验证了 Co 、                          CoNi-LDH@NF（简称 CN）。
                    3+
              3+
            V 和 Fe 之间的电子交换是提升 OER 性能的关键。                       1.2.2  FeOOH@CoNi-LDH@NF 电极的制备
            CHENG 等   [14] 通过静电纺丝、氧化/磷化和后续沉积                       将 NaNO 3 （10 mmol，0.850 g）和 FeCl 3 •6H 2 O
            方法制备了 FeOOH 修饰的 CoP 多孔纳米纤维。该                       （0.5 mmol，0.135 g）溶于 20 mL 去离子水中，加
            催化剂有效地促进了电子转移，为催化 OER 提供了                          热至 100  ℃并保温 8 min，将 CN 浸入该溶液中刻
                                           2
            丰富的活性位点，达到 10 mA/cm 的电流密度需要                        蚀一定时间。将制备好的电极用无水乙醇和去离子
            250 mV 的过电位。然而，FeOOH 与其他组分构建                       水分别洗涤 3 次，然后在 60  ℃烘箱中烘干 4 h。刻
            异质界面时，需采用多步骤的能量密集型水热处理                             蚀时间分别为 20、40、60 s 制备的电极编号为
            或者是电化学沉积的方法，耗能又耗时。原位生长                             Fe@CN-1、Fe@CN-2、Fe@CN-3。具体制备流程示
            的催化剂不需添加有机粘结剂，可避免粘结剂对催                             意图如图 1 所示。
            化剂导电性和稳定性的影响。泡沫镍比表面积大、
            导电性好和机械强度高，是应用广泛的电催化基体                     [15] 。
                 本文采用新颖、超快（40 s）的方法在泡沫镍
            基底上原位构筑了 FeOOH@CoNi-LDH@NF 异质界
                                                     3+
            面催化剂。其合成机理为：FeCl 3 溶液中的 Fe 解离
                     +
            产生的 H 能够刻蚀 CoNi-LDH，使其表面粗糙或缺
                                                       3+
            陷化，易于暴露出更多的活性位点；此外，Fe 水
                                                                 图 1  FeOOH@CoNi-LDH@NF 的制备流程示意图
            解过程中，会在 CoNi-LDH 的表面形成 Fe(OH) 3 ，
                                                               Fig. 1    Schematic diagram of preparation process of
            并进一步脱水形成 FeOOH，进而形成了 CoNi-LDH                              FeOOH@CoNi-LDH@NF
            和 FeOOH 异质界面，产生丰富的界面活性位点，这
                                                               1.3   材料表征和 OER 性能测试
            些界面活性位点对中间体的转换能力更强。本工作
                                                               1.3.1   材料表征
            为构建异质界面的过渡金属 LDH OER 催化剂提供
                                                                   采用 D8 Endevor 型 X 射线粉末衍射仪（德国
            了一种有效的策略。
                                                               Bruker 公司），在 2θ=10°~80°范围内对材料进行组
            1   实验部分                                           成和晶体结构表征。采用 JSM-7610F 型 FESEM 扫
                                                               描电子显微镜（日本电子株式会社）在 15 kV 电压
            1.1   试剂                                           下对材料进行形貌表征。利用 Thermo Scientific
                 Co(NO 3 ) 2 •6H 2 O、Ni(NO 3 ) 2 •6H 2 O、尿素〔CO(NH 2 ) 2 〕、  Escalab 250Xi 型 X 射线光电子能谱仪（美国赛默飞
            NH 4 F、KOH、FeCl 3 •6H 2 O、NaNO 3 、无水乙醇、盐           世尔公司）对材料的化学成分和电子结构进行表征。
   151   152   153   154   155   156   157   158   159   160   161