一種吸氧反應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 天津 300387)

隨著環境和能源問題的日益突出，人們對新能源的開發也越發地關注[1-2]。目前，電解水作為生產氫氣的一個重要途徑受到人們極大的關注[3]。電解水制氫，是利用電能將水分解，在陰極產生氫氣叫析氫反應(HER)，陽極產生氧氣叫析氧反應(OER)[4]。大量的研究表明，水氧化反應由于需要進行多步質子耦合的電子轉移過程而成為整個電解水反應的瓶頸，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)電化學性能的測試

用三電極系統在1.0 M KOH電解質中測試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、結論

本文介紹了一種簡便的雙金屬銅鈷硒化物產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整，通過lsv性能的測試得出CuCoSe2比單金屬硒化物的性能好。