众所周知,传统化石燃料的大量使用不仅导致严重的环境污染和温室效应,而且化石能源本身也面临着枯竭的危机.所以,探索全新的、环境友善的、可持续发展的能源载体一直备受国内外科研工作者的关注.氢能是一种清洁的可再生能源,是有潜力的...众所周知,传统化石燃料的大量使用不仅导致严重的环境污染和温室效应,而且化石能源本身也面临着枯竭的危机.所以,探索全新的、环境友善的、可持续发展的能源载体一直备受国内外科研工作者的关注.氢能是一种清洁的可再生能源,是有潜力的化石能源替代品.水分解是一种有效的、理想的产氢途径,然而水氧化反应是多质子多电子传递的过程,是制约整个水分解过程的瓶颈.目前,基于贵金属(铱和钌)分子和氧化物的电催化剂已经被报道很多,并且可以保持很好的催化活性;但是,这一类催化剂差的稳定性、昂贵的价格和少的地壳含量等因素严重制约了其大规模实际应用.因此,开发基于非贵金属(钴、镍、铁、铜、锰)的新型电催化剂材料是解决该问题的唯一出路,但要保证电催化剂的高活性和好的稳定性仍面临着诸多挑战.在众多的非贵金属中,铜是一种来源广泛的金属,而且铜对生物体毒性较小.由于铜具有良好的配位化学和多重的氧化还原特性,近年来,很多基于铜的水氧化电催化剂被开发和研究.我们在含有1.0 mmol/L Cu2+和2.0 mmol/L Tris配体的磷酸缓冲溶液(0.2 mol/L,p H=12.0)中,采用1.15 V vs.NHE恒电位电沉积的方法,在ITO导电玻璃上制备出基于铜的水氧化催化剂薄膜(Cu-tricine).对得到的催化剂薄膜进行扫描电镜(SEM)测试,该催化剂均匀负载在ITO表面,厚度大约是1.4μm.为了更加深入研究Cu-Tricine催化剂薄膜,采用透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)对Cu-tricine催化剂进行表征,结果表明,该催化剂薄膜是一种结晶度较差的无定形材料.同时,为了研究催化剂薄膜的元素组成及其所处状态,对催化剂进行了能量散射X射线能谱(EDX)和X射线光电子能谱(XPS)测试,结果表明,该催化剂由铜和氧元素组成,并且铜是以正二价存在.由高分辨O 1s XPS谱图分析结果可以推测,Cu-Tricine催化剂可能是由氧化铜和氢氧化铜组成.Cu-tricine催化剂的水氧化活性是在0.2 mol/L的磷酸缓冲溶液(p H=12.0)中进行测试,从塔菲尔曲线中可以得出,该催化剂达到1.0 m A/cm^2的催化电流密度所需的过电位是395 m V,塔菲尔斜率为46.7 m V/decade.此外,在1.15 V vs.NHE的电位下,在10 h的电解过程中,Cu-tricine催化剂薄膜可以将催化电流密度一直保持在7.5 m A/cm^2,并且得到的法拉第效率为99%.展开更多
文摘众所周知,传统化石燃料的大量使用不仅导致严重的环境污染和温室效应,而且化石能源本身也面临着枯竭的危机.所以,探索全新的、环境友善的、可持续发展的能源载体一直备受国内外科研工作者的关注.氢能是一种清洁的可再生能源,是有潜力的化石能源替代品.水分解是一种有效的、理想的产氢途径,然而水氧化反应是多质子多电子传递的过程,是制约整个水分解过程的瓶颈.目前,基于贵金属(铱和钌)分子和氧化物的电催化剂已经被报道很多,并且可以保持很好的催化活性;但是,这一类催化剂差的稳定性、昂贵的价格和少的地壳含量等因素严重制约了其大规模实际应用.因此,开发基于非贵金属(钴、镍、铁、铜、锰)的新型电催化剂材料是解决该问题的唯一出路,但要保证电催化剂的高活性和好的稳定性仍面临着诸多挑战.在众多的非贵金属中,铜是一种来源广泛的金属,而且铜对生物体毒性较小.由于铜具有良好的配位化学和多重的氧化还原特性,近年来,很多基于铜的水氧化电催化剂被开发和研究.我们在含有1.0 mmol/L Cu2+和2.0 mmol/L Tris配体的磷酸缓冲溶液(0.2 mol/L,p H=12.0)中,采用1.15 V vs.NHE恒电位电沉积的方法,在ITO导电玻璃上制备出基于铜的水氧化催化剂薄膜(Cu-tricine).对得到的催化剂薄膜进行扫描电镜(SEM)测试,该催化剂均匀负载在ITO表面,厚度大约是1.4μm.为了更加深入研究Cu-Tricine催化剂薄膜,采用透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)对Cu-tricine催化剂进行表征,结果表明,该催化剂薄膜是一种结晶度较差的无定形材料.同时,为了研究催化剂薄膜的元素组成及其所处状态,对催化剂进行了能量散射X射线能谱(EDX)和X射线光电子能谱(XPS)测试,结果表明,该催化剂由铜和氧元素组成,并且铜是以正二价存在.由高分辨O 1s XPS谱图分析结果可以推测,Cu-Tricine催化剂可能是由氧化铜和氢氧化铜组成.Cu-tricine催化剂的水氧化活性是在0.2 mol/L的磷酸缓冲溶液(p H=12.0)中进行测试,从塔菲尔曲线中可以得出,该催化剂达到1.0 m A/cm^2的催化电流密度所需的过电位是395 m V,塔菲尔斜率为46.7 m V/decade.此外,在1.15 V vs.NHE的电位下,在10 h的电解过程中,Cu-tricine催化剂薄膜可以将催化电流密度一直保持在7.5 m A/cm^2,并且得到的法拉第效率为99%.
