硝酸鐵溶液浸泡Co-MOF提高其電催化析氧性能

廣東石油化工學(xué)院理學(xué)院 張 雪 徐志堃

在泡沫鎳上生長Co-MOF納米片陣列，通過在硝酸鐵溶液中浸泡1h提高Co-MOF的電催化析氧性能，制得的Co-MOF-1h作為電催化劑，Co-MOF-1h納米片陣列具有優(yōu)異的電催化活性，在1.0M KOH中電流密度為50mA?cm-2時(shí)僅需254mV的過電勢(shì)。

快速增長的化石燃料消耗和由此產(chǎn)生的溫室效應(yīng)促使人們對(duì)清潔和可持續(xù)的能量儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了重大的研究興趣。電化學(xué)水分解可以產(chǎn)生氧氣和氫氣是一種可持續(xù)和環(huán)保的生產(chǎn)清潔能源方法，以緩解能源危機(jī)問題。貴金屬基材料（例如RuO2或IrO2）是析氧反應(yīng)（OER）的基準(zhǔn)催化劑，但由于其在地球上的資源有限，且成本非常高。因此，人們投入了大量精力來尋找成本降低且高效的替代品。最近，金屬有機(jī)骨架（MOF）由于其可調(diào)節(jié)的孔隙率，高的比表面積而在與能源相關(guān)的應(yīng)用中受到越來越多的關(guān)注，特別是，鐵摻入MOF中通常會(huì)導(dǎo)致電催化作用進(jìn)一步增強(qiáng)。在此，我們通過水熱法在泡沫鎳上生長Co-MOF，再通過在硝酸鐵溶液中浸泡來提高Co-MOF電催化性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)浸泡1h所得的Co-MOF-1h具有優(yōu)異的催化活性，在1.0M KOH達(dá)到50mA?cm-2的電流密度僅需254mV的過電勢(shì)。為制備高性能電催化劑提供新方法。

1 實(shí)驗(yàn)

Co-MOF的制備：在磁力攪拌下將0.5mmol Co(NO3)2?6H2O（0.145g）和0.5mmol對(duì)苯二甲酸（0.083g）溶解在16mL DMF中以形成均勻溶液。將1.25mL乙醇和1.25mL蒸餾水分別加入溶液攪拌中30min，將泡沫鎳NF（2×3cm）和上述混合溶液轉(zhuǎn)移到25mL高壓釜中，通過水熱法，在125℃下保持12h。冷卻至室溫后，用蒸餾水和乙醇多次洗滌產(chǎn)物，并在50℃下干燥。然后獲得Co-MOF/NF。

Co-MOF-1h/NF的制備：磁力攪拌下將5mmol Fe(NO3)2?9H2O（0.8g）溶解在10mL水中以形成均勻溶液，將Co-MOF/NF浸泡在上述溶液中1h用蒸餾水和乙醇沖洗產(chǎn)物，并在50℃下干燥。然后獲得Co-MOF-1h。

2 結(jié)果與討論

圖1a,b Co-MOF掃描電鏡圖；圖1c,d Co-MOF-1h掃描電鏡圖

圖1a,b顯示通過水熱反應(yīng)Co-MOF生長在泡沫鎳上。圖1c,d顯示了Co-MOF-1h納米片的掃描電鏡圖像。Co-MOF-1h具有合適的片狀結(jié)構(gòu)。圖2a顯示Co-MOF和Co-MOF-1h的X射線粉末衍射（XRD）圖案。Co-MOF粉末的衍射峰與先前報(bào)道的結(jié)果一致。

圖2 Co-MOF和Co-MOF-1h的XRD圖譜

圖3

為了比較Co-MOF，Co-MOF-1h OER的電催化活性。在室溫下，使用典型的三電極系統(tǒng)在1.0M KOH中測試樣品的OER活性。圖3a是Co-MOF和Co-MOF-1h的極化曲線，掃描速率為1mV?s-1。Co-MOF-1h表現(xiàn)出出色的OER性能，電流密度為50mA?cm-2時(shí)過電勢(shì)為254mV，低于未浸泡的Co-MOF。它的Tafel斜率也比Co-MOF更低（圖3c），這表明Co-MOF-1h具有良好的析氧性能。此外，在CV循環(huán)6000次后，Co-MOF-1h極化曲線顯示出很小的變化（圖3d）。隨后發(fā)現(xiàn)，在100mA?cm-2的高電流密度下Co-MOF-1h的電催化OER活性可以保持15h（圖3e），沒有出現(xiàn)明顯的電流密度損失，這都說明了該催化劑具有出色的穩(wěn)定性。此外，進(jìn)行了電化學(xué)阻抗譜分析（EIS），以研究所有四種材料催化過程中的動(dòng)力學(xué)，圖3f顯示Co-MOF-1h具有相對(duì)較小的溶液轉(zhuǎn)移電阻Rs，證明其在界面處電子傳輸能力較強(qiáng)。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過水熱法合成Co-MOF納米片陣列，通過在硝酸鐵溶液中浸泡1h提高Co-MOF性能。此類Co-MOF催化劑具有出色的OER性能，在1.0M KOH中電流密度為50mA?cm-2時(shí)，電勢(shì)僅為254mV。該策略可為設(shè)計(jì)和利用MOF納米片陣列作為催化劑材料提供新方法。