氮掺杂泡沫碳电催化剂的制备及氧还原性能

李婧晗 宋亚乘 周亚洲 程晓农 杨娟

引用本文: 李婧晗, 宋亚乘, 周亚洲, 程晓农, 杨娟. 氮掺杂泡沫碳电催化剂的制备及氧还原性能[J]. 无机化学学报, 2021, 37(3): 457-464. doi: 10.11862/CJIC.2021.029 shu
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氮掺杂泡沫碳电催化剂的制备及氧还原性能

    通讯作者: 杨娟, E-mail: yangjuan6347@ujs.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 51672112

    国家自然科学基金 51702129

摘要: 利用水解乙烯基咪唑鎓硝酸盐([Hvim]NO3)作为发泡剂和一次氮源,在碳化过程中实现材料自发泡。创造性地引入二次氮源三聚氰胺(C3H6N6),通过调控一次、二次氮源比例和碳化温度,制备得到氮掺杂泡沫碳材料(HxMy-T,其中xy为一次和二次氮源的质量比,T对应不同的碳化温度)。该方法提升了催化剂的氮掺杂含量,构建了更多有利于氧还原反应(ORR)的活性氮位点。电镜结果显示,催化剂H1M1-1000呈现出典型的泡沫碳孔洞结构和丰富的层状褶皱结构;X射线光电子能谱测试结果表明,该样品具有较高的活性氮含量(原子分数6.77%),吡啶氮和石墨氮的原子分数分别高达22.23%和55.59%;电化学测试结果表明,该样品在碱性环境中的半波电位为0.834 V(vs RHE),与商业Pt/C相当,且具有优于商业Pt/C的抗甲醇性能和稳定性。

English

  • 为解决能源和环境危机,燃料电池(FCs)作为一种可持续的能源转换装置,以其高转化率、高功率密度和无污染等优点引起了人们的广泛关注[1]。利用催化剂促进发生在阴极的氧还原反应(ORR)已成为提高燃料电池效率的关键[2-3]。然而,目前最高效的商业铂碳(Pt/C)催化剂因其成本高、资源稀缺、长期稳定性差、耐甲醇性差等问题,限制了燃料电池的大规模商业化应用[4-6]。因此,开发价格低廉、催化性能优异的替代材料对燃料电池的发展具有十分重要的意义。

    近年来,氮掺杂多孔碳材料被认为是一种具有前景的可替代Pt/C的催化剂材料。氮和碳相似的原子半径便于掺杂过程的进行[7],并且氮的加入能够改变相邻碳原子周围的电荷分布[8],产生更多有利于氧气吸附和解离的活性位点,促进电子转移[9]。已有研究表明材料中的高氮含量,是呈现出优异电化学性能的关键之一[10-12]。另一方面,多孔结构的存在能促进电子传输,缩短反应物扩散距离,提高材料催化活性[13-14]。泡沫碳作为一种由石墨或无定形碳组成的三维网状结构的碳材料,其内部具有一系列孔结构[15],并能通过与金属或非金属复合获得电化学性能卓越的材料。经过几十年的发展,泡沫碳与石墨烯和碳纳米管等新型碳材料相比,其生产技术已相对成熟稳定,并且因其独特的开孔结构、成本低廉、易制备等优点已被广泛用于催化剂载体。例如,Liu等[16]制备出一种铂钴纳米线复合多孔泡沫碳,相较于传统商业Pt/C催化剂具有更高的催化性能。综上优点,氮掺杂泡沫碳具有充足的氮原子掺杂位点和丰富孔结构,是一种具备优异电化学活性的催化剂候选材料之一。目前,常见的氮掺杂泡沫碳制备方法主要有模板法和发泡法。通过模板法得到的泡沫碳孔径可控,但会出现局部闭孔的情况,并且模板的去除过程较为复杂以及需要额外加入氮源来实现掺杂过程。发泡法一般是以有机聚合物为原料,额外加入发泡剂,并且需要在合适的温度与压力条件下才能发泡制备[17]。以上2种氮掺杂泡沫碳的制备方法都相对繁琐且难以控制。因此,寻找一种简便高效的方法制备高性能的氮掺杂泡沫碳材料是十分必要的。含氮聚合物在高温热解过程中自发泡的方法是一种以简单易操作的方法制备氮掺杂泡沫碳的有效策略。

    我们制备了一系列具有良好氧还原性能的氮掺杂泡沫碳催化剂,以乙烯基咪唑鎓硝酸盐作为自发泡法制备泡沫碳材料的前驱体及一次氮源,三聚氰胺作为二次氮源。通过调控一次、二次氮源的比例与温度来调控活性氮含量,并研究了所制备催化剂的电化学性能。结果表明,二次氮源的引入成功提高了材料的氮含量,该催化剂在碱性电解质中表现出良好的电催化活性。

    在冰水浴和搅拌的条件下,将质量分数为65% 的浓硝酸缓慢滴加到等物质的量的1-乙烯基咪唑(vinylimidazole, C6H5N2)中。室温搅拌1 h,接着50 ℃水浴搅拌2 h,得到橙黄色透明液体,即为水解乙烯基咪唑鎓硝酸盐。将得到的液体冷冻干燥24 h,得到淡黄色块体,研磨得淡黄色粉末,作为一次氮源。进一步引入三聚氰胺(melamine,C3H6N6),作为二次氮源。取上述淡黄色粉末1、0.9、0.75、0.6和0.5 g于研钵中,分别加入三聚氰胺0.5、0.6、0.75、0.9和1 g,研磨均匀。控制一次和二次氮源总质量为1.5 g,二者质量比标记为xy(xy=2∶1、3∶2、1∶1、2∶3、1∶2),不同质量比得到的样品分别标记为H2M1、H3M2、H1M1、H2M3和H1M2。设置对照组H1M0,为1.5 g水解乙烯基咪唑鎓硝酸盐粉末。

    将上述样品分别在900、1 000和1 100 ℃氩气氛围中进行热处理,并保温2 h,升温速率为10 ℃· min-1。样品经热处理后得到的氮掺杂泡沫碳材料分别标记为HxMy-T(T=900、1000、1100,对应不同的碳化温度)。

    样品的形貌与结构通过扫描电子显微镜(SEM,7800F,15 kV)和透射电子显微镜(TEM,Tecnai G2 F30 S-TWIN,200 kV)进行观察。采用美国Thermo Fisher公司生产的激光拉曼光谱仪(Raman,DXR,532 nm)对样品的无序结构与石墨化程度进行表征。采用德国Bruker公司X射线衍射仪(XRD,D8 Advance) 对样品进行表征,放射源是Cu (λ = 0.154 18 nm),工作电压和电流为40 kV和30 mA,角度范围5°~80°,扫速为5 (°)·min-1。X射线光电子能谱(XPS,Escalab 250Xi)以Al 为放射源对样品元素含量进行测试。

    催化剂的ORR性能评估在一个标准三电极体系的旋转圆盘电极装置与CHI760E电化学工作站上进行测试。以碳棒作为对电极,Ag/AgCl电极作为参比电极,负载催化剂的玻璃碳(GC)电极作为工作电极。以O2或N2饱和的0.1 mol·L-1 KOH溶液作为反应进行的电解质溶液。工作电极的具体制备是将2 mg的催化剂粉末分散到含有乙醇和Nafion的混合溶液中(体积比为59∶1),超声1 h获得均匀的催化剂墨水溶液(2 mg·mL-1)。取5 μL的催化剂墨水滴在直径为5 mm的GC电极上,共滴加4次,自然干燥后在电极表面得到均匀的薄膜,即为工作电极。

    采用循环伏安(CV)与线性扫描伏安(LSV)法进行ORR性能测试,扫描速率分别为50和10 mV·s-1,并且LSV曲线需要在不同转速(400~2 025 r·min-1) 下测试。扫描电压范围为-1.0~0.2 V(vs Ag/AgCl),所有的电压值需要转换为相对于可逆氢电极的电压(vs RHE):

    $ E\left( {{\rm{vs}}\;{\rm{RHE}}} \right) = E\left( {{\rm{vs}}\;{\rm{Ag/AgCl}}} \right) + {E^ \ominus }\left( {{\rm{Ag/AgCl}}} \right) + 0.059{\rm{pH}} $

    对制备的一系列HxMy-T材料进行形貌与结构表征。图 1是所得样品的SEM照片。如图 1a所示,只含有一次氮源的H1M0-1000泡沫碳,整体呈现出形状不规则的球状气孔,孔壁相对光滑,互相堆叠。开始引入少量二次氮源后,样品H2M1-1000孔壁变得如绒布般粗糙(图 1b),随着二次氮源添加量增大,H3M2-1000(图 1c)和H1M1-1000(图 1d)孔壁连接处出现褶皱分层,其中H1M1-1000的开孔结构保持良好(图 1d);当二次氮源含量高于一次氮源后,样品H2M3-1000(图 1e)的碳壁基本瓦解,孔状结构被破碎,在H1M2-1000的SEM图中(图 1f)已经无法观察到碳壁形态,整体呈现出不规则的层状褶皱结构。这说明三聚氰胺作为二次氮源过量添加后,在高温热解时分解产生大量气体,膨胀过程中会破坏碳结构。进一步观察不同热解温度下,一次、二次氮源比例为1∶1的样品(图 1g1h1i),均具有层状褶皱结构,但样品H1M1-1000(图 1h)的球状气孔结构保留更为完整。这表明该样品在保留了泡沫碳连通的微米级孔洞结构的同时,还构筑了丰富的层状褶皱结构,有利于暴露出更多的活性位点,提高催化剂性能。

    图 1

    图 1.  HxMy-T样品的SEM图
    Figure 1.  SEM images of HxMy-T

    为了进一步了解H1M1-1000样品的内部形貌,对其进行TEM表征。通过高分辨透射电镜(HRTEM)可以观测到该样品具有纤薄的层状结构,片层弯曲且相互堆叠,晶格条纹呈杂乱无序状态(图 2a2b2c),选区电子衍射(SEAD)呈现出非晶弥散环(图 2d),对应于无定形碳。从扫描透射电镜(STEM)图(图 2e2f)及对应的元素映射图(图 2g2h2i)观察到,碳、氮、氧3种元素在材料中分布均匀,表明氮元素已经成功掺入到碳骨架中,获得了氮掺杂泡沫碳材料。

    图 2

    图 2.  样品H1M1-1000的(a~c) HRTEM图、(d) SEAD图、(e、f) STEM图像及(g) C、(h) N和(i) O的元素映射图
    Figure 2.  (a~c) HRTEM image, (d) SEAD image, (e, f) STEM image, and elemental mappings of (g) C, (h) N and (i) O for H1M1-1000

    图 3a所示,所有样品的XRD图在大约25°、43°位置处出现的2个衍射峰,分别对应碳的(002)和(101)晶面。对于只含有一次氮源的H1M0-1000,其衍射峰角度比其他样品稍低,表明H1M0-1000的层间距较其他样品稍大。在添加二次氮源后,所有样品的衍射峰相对地向高角度移动,可归因于样品出现的不同程度褶皱使面层弯曲,造成层间距缩小。并且含有二次氮源样品的衍射峰强度都比H1M0-1000的高,说明添加二次氮源可以提高材料中碳原子的有序程度。当一次、二次氮源比例为1∶1时,对应的H1M1-1000衍射峰强度最高,表明该样品中类石墨结构较多[18]

    图 3

    图 3.  HxMy-T样品的(a) XRD图; (b) 不同一次、二次氮源比例和(c) 不同碳化温度的Raman谱图; (d) XPS全谱图和(e) H1M1-1000的N1s高分辨光谱; (f) 不同氮构型的含量
    Figure 3.  (a) XRD patterns of HxMy-T; Raman spectra of HxMy-T samples prepared by (b) different ratios of the primary and secondary nitrogen sources and (c) different carbonization temperatures; (d) XPS survey spectra of HxMy-T and (e) high-resolution XPS of N1s of H1M1-1000; (f) Content of various nitrogen configurations

    通过激光拉曼谱图(Raman)观测到所有样品在约1 367和约1 583 cm-1位置出现了明显的特征峰,分别对应D峰和G峰,在约2 680 cm-1位置出现了对应2D峰的微弱的特征峰[19]。D峰与sp3-C有关,表明材料的缺陷结构;G峰与sp2-C有关,表明材料石墨化程度;2D峰则说明材料中含有少层纳米片[20-21]。通常用比值ID/IG来衡量碳材料的无序程度。如图 3b所示,一次、二次氮源比例为1∶1的H1M1-1000的ID/IG值最小,表明其碳原子结构相对有序,基底材料较为稳定,这与XRD分析结果一致。这是由于三聚氰胺的引入会增加额外的碳源,导致石墨化程度增加。而随着三聚氰胺加入量增加,H2M3-1000和H1M2-1000的ID/IG值高于H1M1-1000(图 3b),说明三聚氰胺大量分解会破坏原始的碳结构,导致无序排列的碳原子增加。对于在该比例下不同热解温度的H1M1-900和H1M1-1100样品,ID/IG值随热解温度升高而减小(图 3c),说明温度升高会加剧三聚氰胺分解,增加额外碳含量,促进碳原子有序排列,减少材料缺陷。

    采用XPS对样品的元素含量和化学键状态进行表征。通过XPS全谱图可以看出(图 3d),所有样品均以C1s峰(约284.8 eV)占主导,并出现N1s和O1s峰(约399.8和536.1 eV)。各样品中的具体元素含量见表 1。单独热解仅有一次氮源的H1M0-1000,发现其氮含量最低,仅为2.41%;引入二次氮源后,各样品氮含量均有所提升;当一次、二次氮源比例为1∶1时,样品H1M1-1000氮掺杂量达到最高(6.77%);在该比例下,H1M1-900和H1M1-1100随着热解温度升高氮含量减少,这是由于三聚氰胺在热解过程中逐步分解造成的。进一步观察H1M1-1000的N1s高分辨率光谱(图 3e)可知,N1s特征峰可拟合为吡啶氮(398.2 eV)、吡咯氮(399.4 eV)、石墨氮(400.8 eV)和氧化氮(402.3 eV)4种氮构型。高的吡啶氮和石墨氮含量会提升样品的催化性能[22-23],因此被称作活性氮结构。如图 3f所示,样品H1M1-1000的活性氮含量最高,达到77.82%,其中吡啶氮和石墨氮含量分别达到22.23%和55.59%。

    表 1

    表 1  HxMy-T样品的元素含量
    Table 1.  Element content of HxMy-T
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    Sample Atomic fraction/%
    C N O
    H1M0-1000 93.59 2.41 4.00
    H2M1-1000 93.20 2.97 3.83
    H3M2-1000 94.14 2.92 2.94
    H1M1-900 92.17 5.05 2.78
    H1M1-1000 89.59 6.77 3.64
    H1M1-1100 93.69 3.52 2.79
    H2M3-1000 92.14 5.09 2.77
    H1M2-1000 91.86 4.44 3.70

    样品的比表面积(SBET)通过N2吸附-脱附等温线测得,以证明制备的泡沫碳材料具有多孔结构。如图 4所示,H1M1-1000的吸附-脱附等温线呈Ⅳ型等温线。在较低相对压力时(p/p0 < 0.4),N2吸附量急剧增加,表明微孔结构存在;在较高相对压力时(p/p0> 0.45),出现H4型回滞环,表明材料中介孔的存在。测试得到H1M1-1000的SBET为579 m2·g-1,以介孔居多,主要孔径为4.3 nm。泡沫碳的多孔结构可以促进传质与扩散,有利于ORR性能的提升。

    图 4

    图 4.  H1M1-1000的N2吸附-脱附等温线

    Inset: corresponding pore size distribution

    Figure 4.  N2 adsorption-desorption isotherm of H1M1-1000

    H1M1-T样品的电化学活性在N2和O2饱和的0.1 mol·L-1 KOH溶液中进行。通过不同样品的CV图可知,催化剂在N2环境下没有峰出现,而在O2环境中均呈现出明显的氧还原峰,初步表明样品具有ORR活性。对于一次、二次氮源比例为1∶1的样品H1M1-900(图 5a)、H1M1-1000(图 5b)和H1M1-1100 (图 5c),其峰值电位分别为0.725、0.777和0.667 V (vs RHE),而峰值电位越正其ORR性能越优异[24],说明1 000 ℃的热处理温度最适宜制备该催化剂。为进一步研究样品的电化学性能,分析样品在O2饱和的0.1 mol·L-1 KOH溶液中1 600 r·min-1下的LSV曲线。添加二次氮源后(图 6a),样品的氧还原性能基本有所提升,其中H1M1-1000表现出最优性能(图 6b),其初始电位(E0)、半波电位(E1/2)和极限电流密度(JL)分别达到0.914 V、0.834 V和6.25 mA·cm-2,与商业Pt/C相当(E0=0.911 V,E1/2=0.848 V,JL=5.64 mA· cm-2)。对H1M1-1000进行不同转速下的LSV曲线测试,如图 6c所示,曲线在扩散控制区域内保持平行,电流密度随转速的增大而增大。根据K-L方程对在不同转速下0.2、0.3、0.4、0.5 V电压值所对应的电流密度进行拟合(图 6d)可知,各曲线整体呈现良好的线性关系,并据此计算相应的转移电子数(n)。样品H1M1-1000的转移电子数最大,其平均转移电子数达到了3.89,证明该催化反应遵循4电子转移。

    图 5

    图 5.  H1M1-T样品在0.1 mol·L-1 KOH中的CV曲线
    Figure 5.  CV curves of H1M1-T in 0.1 mol·L-1 KOH

    图 6

    图 6.  (a) HxMy-T和Pt/C在0.1 mol·L-1 KOH中的LSV曲线; (b) H1M0-1000、H1M1-1000和Pt/C的E0E1/2对比图; (c) H1M1-1000在不同转速下的LSV曲线及(d) 对应的K-L曲线
    Figure 6.  (a) LSV curves of HxMy-T and Pt/C in 0.1 mol·L-1 KOH; (b) E0 and E1/2 of the H1M0-1 000, H1M1-1000 and Pt/C; (c) LSV curves of H1M1-1000 at different rotation speeds and (d) corresponding K-L plots at different potentials

    催化剂的稳定性和抗甲醇性能采用计时电流法(i-t),在O2饱和的0.1 mol·L-1 KOH环境中及1 600 r·min-1转速下施加-0.35 V(vs Ag/AgCl)恒电压来测试。如图 7所示,经过50 000 s的循环测试后,商业Pt/C的电流密度下降了38.6%,而样品H1M1-1000的电流密度仅下降了11.0%(图 7a)。在500 s时向电解液中加入1 mol·L-1甲醇后,商业Pt/C的电流密度发生明显变化,而样品H1M1-1000电流密度有轻微变化(图 7b)。综上所述,证明该催化剂具备优异的电化学性能。

    图 7

    图 7.  样品H1M1-1000和商业铂碳在O2饱和的0.1 mol·L-1 KOH中(a) 在响应时间为50 000 s时的i-t曲线和(b) 加入甲醇前后的i-t曲线
    Figure 7.  i-t curves (a) at a response time of 50 000 s and (b) before and after adding methanol of H1M1-1000 and Pt/C in 0.1 mol·L-1 KOH saturated with O2

    我们提出了一种方法简便、可操作性强的制备方法,以水解乙烯基咪唑鎓硝酸盐和三聚氰胺为一次和二次氮源,令前驱体在一定温度的碳化过程中实现自发泡,制得氮掺杂泡沫碳材料。调控氮源比例和温度所制得的样品H1M1-1000的氮掺杂含量高达6.77%,并表现出优异的电化学活性,与商业Pt/C相当,且其出色的稳定性与抗甲醇性明显优于商业Pt/C。


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  • 图 1  HxMy-T样品的SEM图

    Figure 1  SEM images of HxMy-T

    图 2  样品H1M1-1000的(a~c) HRTEM图、(d) SEAD图、(e、f) STEM图像及(g) C、(h) N和(i) O的元素映射图

    Figure 2  (a~c) HRTEM image, (d) SEAD image, (e, f) STEM image, and elemental mappings of (g) C, (h) N and (i) O for H1M1-1000

    图 3  HxMy-T样品的(a) XRD图; (b) 不同一次、二次氮源比例和(c) 不同碳化温度的Raman谱图; (d) XPS全谱图和(e) H1M1-1000的N1s高分辨光谱; (f) 不同氮构型的含量

    Figure 3  (a) XRD patterns of HxMy-T; Raman spectra of HxMy-T samples prepared by (b) different ratios of the primary and secondary nitrogen sources and (c) different carbonization temperatures; (d) XPS survey spectra of HxMy-T and (e) high-resolution XPS of N1s of H1M1-1000; (f) Content of various nitrogen configurations

    图 4  H1M1-1000的N2吸附-脱附等温线

    Figure 4  N2 adsorption-desorption isotherm of H1M1-1000

    Inset: corresponding pore size distribution

    图 5  H1M1-T样品在0.1 mol·L-1 KOH中的CV曲线

    Figure 5  CV curves of H1M1-T in 0.1 mol·L-1 KOH

    图 6  (a) HxMy-T和Pt/C在0.1 mol·L-1 KOH中的LSV曲线; (b) H1M0-1000、H1M1-1000和Pt/C的E0E1/2对比图; (c) H1M1-1000在不同转速下的LSV曲线及(d) 对应的K-L曲线

    Figure 6  (a) LSV curves of HxMy-T and Pt/C in 0.1 mol·L-1 KOH; (b) E0 and E1/2 of the H1M0-1 000, H1M1-1000 and Pt/C; (c) LSV curves of H1M1-1000 at different rotation speeds and (d) corresponding K-L plots at different potentials

    图 7  样品H1M1-1000和商业铂碳在O2饱和的0.1 mol·L-1 KOH中(a) 在响应时间为50 000 s时的i-t曲线和(b) 加入甲醇前后的i-t曲线

    Figure 7  i-t curves (a) at a response time of 50 000 s and (b) before and after adding methanol of H1M1-1000 and Pt/C in 0.1 mol·L-1 KOH saturated with O2

    表 1  HxMy-T样品的元素含量

    Table 1.  Element content of HxMy-T

    Sample Atomic fraction/%
    C N O
    H1M0-1000 93.59 2.41 4.00
    H2M1-1000 93.20 2.97 3.83
    H3M2-1000 94.14 2.92 2.94
    H1M1-900 92.17 5.05 2.78
    H1M1-1000 89.59 6.77 3.64
    H1M1-1100 93.69 3.52 2.79
    H2M3-1000 92.14 5.09 2.77
    H1M2-1000 91.86 4.44 3.70
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  • 发布日期:  2021-03-10
  • 收稿日期:  2020-09-15
  • 修回日期:  2020-12-02
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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