一種吸氧反應(yīng)的電催化劑銅鈷雙金屬硒化物的制備及表征

(天津師范大學(xué) 天津 300387)

隨著環(huán)境和能源問題的日益突出，人們對新能源的開發(fā)也越發(fā)地關(guān)注[1-2]。目前，電解水作為生產(chǎn)氫氣的一個重要途徑受到人們極大的關(guān)注[3]。電解水制氫，是利用電能將水分解，在陰極產(chǎn)生氫氣叫析氫反應(yīng)(HER)，陽極產(chǎn)生氧氣叫析氧反應(yīng)(OER)[4]。大量的研究表明，水氧化反應(yīng)由于需要進行多步質(zhì)子耦合的電子轉(zhuǎn)移過程而成為整個電解水反應(yīng)的瓶頸，因此努力提高水氧化電催化劑的性能顯得十分重要。雖然IrO2、RuO2對OER反應(yīng)具有較高的催化活性，但是由于它成本高和稀缺限制其大規(guī)模的利用[5]。因此，探索非貴金屬作為OER的催化劑成為了電解水研究的重點。

一、實驗部分

(一)化學(xué)試劑

Co(NO3)2·6H2O(99.99%),Cu(NO3)2·3H2O(99.99%),尿素，無水乙醇，丙酮和碳紙(CP)均從天津希恩思生化科技有限公司購買。

(二)實驗儀器

用D8ADVANCE X射線衍射儀(Bruker,Germany)對樣品進行X射線衍射分析。用Nova nano 230(FEI,USA)掃描電子顯微鏡對合成樣品的形貌進行分析。CHI 660E電化學(xué)工作站在25℃下進行性能的測試。

(三)材料的合成

1.碳紙(CP)的處理

將市售的20cm×21cm碳紙割成4cm×3cm使用。將割好的碳紙在2.0 M HCL溶液中超聲10 min，取出之后在丙酮中超聲10 min,然后分別拿二次水和乙醇溶液洗三次，最后將其在80℃下真空干燥12小時。

2.銅鈷雙金屬硒化物的合成

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，并將溶液攪拌30分鐘使其溶解。將所得到的溶液倒到50 mL高壓釜中，將其在393K的烘箱中保溫6個小時。自然冷后，將反應(yīng)釜中的碳紙取出，并用水跟乙醇洗兩次，最后在60℃下干燥10個小時。然后稱取0.8g 的硒粉放在瓷舟內(nèi)并把它放在管式爐的上游，另一個瓷舟放合成的樣品置于管式爐的下游，在N2下以2℃·min-1的速率升溫，400℃下退火2h。

二、結(jié)果與討論

(一)該催化劑的XRD表征

如圖1所示為該材料的 XRD，2θ為30.3°，34.0°，37.4°，43.4°，51.4°，56.3°，58.6°，63.1°,73.6°和75.6°十個不同強度的特征峰分別對應(yīng)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，通過XRD 證明得到的該催化劑是CuCoSe2。

圖1 該材料的XRD

(二)CuCoSe2的SEM

如圖2所示，CuCoSe2通過SEM可以看出該材料的形貌均勻，并且是由納米線堆積而成的。

圖1 CuCoSe2的SEM

(三)電化學(xué)性能的測試

用三電極系統(tǒng)在1.0 M KOH電解質(zhì)中測試CuSe，CoSe,CuCoSe2和空白碳紙的OER性能。如圖3所示，在電流密度為50 mA/cm2的時候，CoSe和CuCoSe2所需要的過電勢分別為360和310mV。很明顯CuCoSe2的性能比單金屬CoSe和CoSe好，比CoSe提高了60 mV，表現(xiàn)出了較好的OER催化性能。

圖3 CuSe，CoSe,CuCoSe2和空白碳紙的lsv曲線

三、結(jié)論

本文介紹了一種簡便的雙金屬銅鈷硒化物產(chǎn)氧催化劑的合成方法，通過XRD證明了它的是CuCoSe2，通過掃描電鏡看出它的形貌是納米線而且形貌規(guī)整，通過lsv性能的測試得出CuCoSe2比單金屬硒化物的性能好。