武繁華,張忠林,李 瑜,劉莉雪,段東紅, 劉世斌, 原沁波,王恩志,郝曉剛
(1.太原理工大學(xué) 潔凈化工研究所,太原 030024;2.中北大學(xué) 理學(xué)院,太原 030051;3.清華大學(xué) a.水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室,b.三江源協(xié)同創(chuàng)新研究中心,北京 100084)
直接甲醇燃料電池(DMFC)的半電池研究證明,甲醇電催化氧化過程要比氧還原慢許多,反應(yīng)過電位相對較大,因此,陽極反應(yīng)的電催化劑研發(fā)一直是DMFC研究領(lǐng)域的熱點之一[1-3]。納米Pt因其對甲醇電催化氧化的性能優(yōu)異,被認(rèn)為是直接甲醇燃料電池最佳陽極材料[4],但是Pt的儲量有限、價格昂貴以及對甲醇氧化中間體CO有明顯中毒現(xiàn)象,嚴(yán)重阻礙DMFC的商業(yè)化進(jìn)程。近十幾年,隨著抗碳酸鹽化陰離子交換膜技術(shù)的突破與發(fā)展[5-6],具有優(yōu)異催化活性、儲量豐富、價格便宜、與Pt同屬第八族元素的Ni納米金屬逐漸引起了人們更多的研究興趣[7-9]。
目前,Ni基甲醇電氧化催化劑的研究大多集中于晶態(tài)納米材料,非晶態(tài)論述很少[10-12]。對于晶態(tài)材料來講,臺階原子和扭結(jié)原子(即不飽和原子)通常是打破反應(yīng)物分子化學(xué)鍵的催化活性位[13],大塊的金屬Ni對甲醇氧化并沒有顯示催化活性[14]。為此,十多年來具有高密度不飽和原子的Ni-B和Ni-P非晶態(tài)Ni基納米材料開始進(jìn)入甲醇電催化氧化研究者的視野。鄭一雄等相繼研究了非晶態(tài)Ni-B和Ni-Cu-P納米合金上甲醇和乙醇的電氧化性能,與高度擇優(yōu)取向的鎳(220)電極、晶態(tài)Ni-Cu合金相比,均顯示出更高的催化活性[15-16]。HASSAN et al[17]等采用化學(xué)鍍法在玻碳電極上制備了Ni-B納米非晶態(tài)顆粒涂層,實驗證明Ni-B/C對甲醇和乙醇均具有較好的電催化活性,是Ni-P/C和Pt/C的兩倍。相關(guān)研究結(jié)果表明,在甲醇電催化氧化材料領(lǐng)域非晶態(tài)Ni基納米合金將可能是納米Pt的替代材料。為了提高非晶態(tài)Ni基納米材料的催化活性,HAMEED et al[18]采用化學(xué)鍍技術(shù)制備了Cu摻雜的非晶態(tài)Ni-P-Cu/C電極,TONG et al[19]采用簡易的一鍋溶劑熱法制備了O摻雜的具有可調(diào)結(jié)構(gòu)和組成的非晶態(tài)Ni-P-O納米催化劑,研究結(jié)果均顯示其催化活性較原二元納米合金高得多??梢?,摻雜第三種元素是提高非晶態(tài)納米Ni-B,Ni-P活性的有效手段。本課題組前期研究了Co摻雜的非晶態(tài)納米Ni-B-Co催化性能,研究表明,Co的摻雜明顯改變了納米Ni-B的電子結(jié)構(gòu),降低了起始反應(yīng)電位,提高了催化活性[20]。然而,前期的諸多研究重點關(guān)注了非晶態(tài)納米Ni基合金活性的提高,對摻雜元素的催化作用機制缺乏系統(tǒng)深入的探討。
本文分別以與Ni同周期具有不同d電子數(shù)的Cr,Cu元素對非晶態(tài)納米Ni-B摻雜,擬通過調(diào)節(jié)Ni納米合金電子態(tài)改變其催化性能,進(jìn)而探討摻雜元素可能的作用機制。為此,采用化學(xué)還原法制備了納米非晶態(tài)Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子,循環(huán)伏安法等技術(shù)考察Ni-B-M電催化氧化甲醇的性能,以期為納米非晶態(tài)鎳基材料甲醇電氧化催化劑的研發(fā)提供依據(jù)。
采用化學(xué)還原法制備非晶態(tài)Ni-B,Ni-B-Cr和 Ni-B-Cu納米粒子催化劑,硼氫化鉀KBH4作為還原劑,聚乙烯吡咯烷酮PVP-k30s作為保護(hù)劑。具體步驟為:首先,將4.04 g 氯化鎳NiCl2·6H2O和2 g PVP超聲溶解在20 mL純水中,并將其置于0 ℃的冰水浴中。然后,再將5.50 g硼氫化鉀和0.96 g氫氧化鈉NaOH超聲溶解于60 mL純水中,在強烈攪拌下將其40 mL溶液以1 mL/min的速率逐滴滴加至上面所述氯化鎳溶液中。滴加結(jié)束后,在冰水浴中繼續(xù)攪拌直至溶液不再有氣泡產(chǎn)生,離心分離產(chǎn)生的黑色沉淀,并分別用純水和無水乙醇洗滌3次。最后,在真空80 ℃下烘干12 h,得到了Ni-B催化劑樣品,研磨備用。制備Ni-B-Cr和 Ni-B-Cu納米粒子與上述過程相近,所有實驗用量均保持不變,差別只在配置氯化鎳與PVP混合液時加入0.09 g氯化鉻CrCl3·6H2O或0.06 g 氯化銅CuCl2·2H2O.所制備的催化劑可分別記為 Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu.
工作電極以直徑為6 mm的玻碳電極為基底。在每次實驗前,電極表面均用Al2O3(0.05 μm)懸浮液拋光至鏡面,且用純水和無水乙醇超聲洗滌。將8 mg先前制備的樣品、12 mg Vulcan XC-72炭黑(BET:237 m2/g)與125 μL Nafion溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)分散在乙醇(2.5 mL)+純水(2.5 mL)混合液中,超聲分散20 min,然后用移液管移取此懸浮液10 μL涂于干凈的玻碳電極表面,紅外線燈下烘干,備用。
采用美國TJA公司 Atomscan 16電感耦合等離子體光譜儀(ICP)測定樣品中元素比例。采用中國DX-2700型X射線衍射儀(XRD)測定樣品的晶相結(jié)構(gòu),輻射源為Cu Kα(λ=0.154 nm),管電壓為40 kV,管電流為30 mA,掃描速率為8 (°)/min,2θ掃描范圍為5°~85°.采用FEI公司產(chǎn)的Tecnai G2 F20場發(fā)射透射電子顯微鏡(HRTEM)表征樣品的微觀形貌,加速電壓為200 kV.采用VG Scientific ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜儀(XPS)測定樣品表面元素價態(tài),激發(fā)源為Al Kα射線(hv=1 486.6 eV),電壓為14.8 kV.
電化學(xué)測試采用美國PAR公司產(chǎn)的VMP2型多通道恒電位儀。實驗裝置為三電極體系,鉑片和Hg/HgO分別為對電極和參比電極。本文所有電位均相對于Hg/HgO參比電極。所有實驗均由超級恒溫槽控制在±30 ℃下進(jìn)行。
Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu樣品原子比數(shù)據(jù)如表1所示。由數(shù)據(jù)可知,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu樣品中,Ni,B原子比相近,Cr/Ni或Cu/Ni摩爾比與前驅(qū)體投料比一致,均為0.02.圖1為Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu樣品的XRD譜圖。可以看到,Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu樣品均在2θ=45°左右出現(xiàn)一寬化的彌散衍射峰,這是元素Ni與類金屬元素B非晶態(tài)合金的特征衍射峰[21]。另外,圖中沒有任何Cr,Cu單質(zhì)或化合物的特征衍射峰,這表明Ni-B-Cr(或Cu)樣品為單相Ni-B-Cr (或Cu)非晶態(tài)固溶體。同時,由于Ni-B-Cu樣品的XRD譜圖較Ni-B和Ni-B-Cr更加彌散,可見,Ni-B-Cu樣品非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的無序度較大[22]。
表1 Ni-B和Ni-B-Cr納米粒子的組成Table 1 Composition of Ni-B and Ni-B-Cr nanoparticles
圖1 非晶態(tài)Ni-B、Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of Ni-B, Ni-B-Cr, and Ni-B-Cu nanoparticles
Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu的TEM圖像如圖2所示。TEM圖像顯示,Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu樣品均為球形類球形,粒徑較為均勻,Ni-B的平均粒徑約為13 nm,Ni-B-Cr為8 nm,Ni-B-Cu為9 nm.可見,Cr和Cu元素的摻雜均可減小Ni-B的粒徑,粒子細(xì)化現(xiàn)象可能是源于摻雜原子的原子半徑、成鍵電子結(jié)構(gòu)及其配位數(shù)不同引起的納米粒子的成核及生長困難。同時,Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子均呈現(xiàn)不同程度的團(tuán)聚,這可能與巨大的比表面能相關(guān)[21]。
圖2中插圖是選定區(qū)域電子衍射(SAED)圖,均出現(xiàn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特有的漫射德拜環(huán)[23]??梢姡M(jìn)一步證實了Cr和Cu摻雜的Ni-B納米粒子均為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
圖2 Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子的TEM圖(插圖為選區(qū)電子衍射圖)Fig.2 TEM of images of Ni-B, Ni-B-Cr, and Ni-B-Cu, respectively (Insets are corresponding SAED patterns)
圖3所示為Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子Ni與B的XPS高分辨率圖譜,表2為其主要的表面結(jié)合能計算值。從圖3和表2可知,在非晶態(tài)Ni-B和Ni-B-Cu納米粒子中,元素B均存在金屬(B0)和氧化硼B(yǎng)(B3+)兩種價態(tài)形式,同樣,元素Ni也均含有Ni0和氧化態(tài)Ni2+兩種價態(tài)。在B 1s譜圖中,Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子B0的結(jié)合能依次為187.96,187.98,187.64 eV;在Ni 2p譜圖中,Ni0的電子結(jié)合能依次為852.49,852.18,852.36 eV.由此可知,B0的結(jié)合能在摻雜Cr時變化很小,即Cr與B之間基本不發(fā)生明顯的電子轉(zhuǎn)移;但Cu的摻雜減小了B的結(jié)合能,即表明Cu的d電子轉(zhuǎn)移給了B;同時,Ni0的結(jié)合能在摻雜Cr或Cu后,均減小了。由于Cr與Cu的電負(fù)性與電子結(jié)構(gòu)不同,其與Ni之間的電子轉(zhuǎn)移存在差異。原子Ni(3d84s2)比原子Cr(3d54s1)有更多的d,可推測[20],元素Ni的一些成鍵d電子會轉(zhuǎn)移到Cr的3d電子帶;但由于Ni的電負(fù)性(1.91)要比Cr(1.66)高,Cr的電子云會整體向Ni偏移,因此,Ni-B-Cr納米粒子中Ni最后所得到的負(fù)電荷量相對Ni-B增大了。Ni成鍵d電子向Cr的轉(zhuǎn)移可能會增大Ni 3d軌道的空缺率。對于Cu來講,Cu(3d104s1)原子比Ni (3d84s2)原子有更多的成鍵d電子,Cu元素的一些d電子會轉(zhuǎn)移到Ni的3d電子帶;同時,Ni的一些s電子向Cu的s電子帶移動。由于Ni的電負(fù)性略高于Cu(1.90),因而Ni最后獲得的電子比Cu多,電子結(jié)合能降低。Cu d電子向Ni的轉(zhuǎn)移可能會降低Ni 3d軌道的空缺率。另外,由圖3(c)可見,在Ni-B-Cr納米粒子表面Cr元素的Ni 2p3/2結(jié)合能為577.00 eV,表明Cr元素在Ni-B-Cr納米粒子表面以單一的Cr3+氧化物形態(tài)存在。
圖3 窄譜圖(a) B 1s Ni 2p窄譜圖(b),Cr 2p窄譜圖(c)Fig.3 XPS spectra of Ni 2p (a) and B 1s (b) and Cr 2p (c)
表2 Ni-B,Ni-B-Cr,Ni-B-Cu納米粒子Ni,B的XPS結(jié)合能Table 2 XPS binding energies of nickel and boron with different valencies in Ni-B, Ni-B-Cr and Ni-B-Cu nanoparticles eV
2.2.1在NaOH電解液中循環(huán)伏安測試結(jié)果
圖4為Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子在1.0 mol/L氫氧化鈉電解液中掃描速率為10 mV/s下的循環(huán)伏安曲線。由圖4可知,在氧氣析出之前Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子均存在一對氧化還原峰[24],氧化峰為Ni(OH)2氧化為羥基氧化鎳NiOOH的過程,還原峰為相應(yīng)的還原反應(yīng)[25-27]。
Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-.
圖4 Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子在1.0 mol/L NaOH溶液中掃速為10 mV/s下的循環(huán)伏安曲線Fig.4 Cyclic voltammograms of Ni-B, Ni-B-Cr, and Ni-B-Cu nanoparticles at a potential scan rate of 10 mV/s in 1.0 mol/L NaOH solution
由圖4可看到,Ni-B-Cr及Ni-B-Cu納米粒子上Ni(OH)2氧化峰電流明顯高于Ni-B納米粒子,且氧化峰的半峰寬也較大,這可能與Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子表面Cr(VI),Cu(III)的存在有關(guān)[28]。此外,Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子氧化的起始反應(yīng)電位基本一致,即Cr、Cu物質(zhì)的量比為0.02時,對Ni(OH)2氧化的起始電位影響很小。
2.2.2在含甲醇電解液中循環(huán)伏安測試結(jié)果
圖5(a)為Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子在CH3OH(1.0 mol/L)+ NaOH(1.0 mol/L)中的循環(huán)伏安曲線。由圖可見,Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子上氧化峰電流分別為789.67,748.47,1 143.16 A/g;峰電位分別為0.73,0.77,0.81 V,其中Ni-B-Cu的峰電流最高;Ni-B-Cr的峰電流略低于Ni-B,Cr的摻雜對Ni-B-Cr納米粒子電催化活性有微弱影響。可見,摻Cu有利于提高Ni-B納米粒子的催化性能。此外,圖5(a)顯示3種電催化劑上反應(yīng)起始電位很接近,表明三者的甲醇電氧化反應(yīng)機理未有明顯不同。圖5(b)為3種催化劑甲醇電氧化的Tafel曲線圖??梢钥吹剑琋i-B,Ni-B-Cr,Ni-B-Cu納米粒子在0.55~0.57 V范圍塔費爾斜率分別為195.90,214.52,202.16 mV,這表明Cr,Cu摻雜Ni-B后塔費爾斜率略有提高,反應(yīng)的控制步驟出現(xiàn)一定變化。
圖5 Ni-B、Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子在1.0 mol/L NaOH+1.0 mol/L CH3OH溶液中的循環(huán)伏安曲線(a)及在0.55~0.57 V之間的塔菲爾曲線(b)Fig.5 Cyclic voltammograms (a) and corresponding Tafel plots (b) for methanol oxidation on Ni-B, Ni-B-Cr, and Ni-B-Cu nanoparticles in 1.0 mol/L NaOH solution containing 1.0 mol/L methanol at a scan rate of 10 mV/s
2.2.3電化學(xué)阻抗譜測試結(jié)果
圖6是Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子在1.0 mol/L NaOH+1.0 mol/L CH3OH溶液中的電化學(xué)阻抗譜圖(振幅為5 mV,電位為0.50 V,頻率范圍100~0.1 kHz),右上為等效電路圖。高頻半圓與電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)和雙層電容有關(guān);中頻和低頻半圓與電極表面吸附電阻有關(guān)(用Rads表示)。由圖可知,相對于Ni-B樣品,摻雜Cr樣品的高頻半圓略有增加,摻雜Cu樣品的高頻半圓減小。減小的半圓表明,通過摻雜Cu元素Ni-B納米合金降低了甲醇氧化的電荷轉(zhuǎn)移電阻,提高了甲醇氧化的催化活性。相反,摻雜Cr增大了甲醇氧化的電荷轉(zhuǎn)移電阻,降低了甲醇氧化的催化活性。
根據(jù)圖6右上等效電路圖擬合的各參數(shù)見表3。
圖6 Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子在1.0 mol/L NaOH+1.0 mol/L CH3OH溶液中的電化學(xué)阻抗譜曲線(插圖為相應(yīng)的等效電路圖)Fig.6 Electrochemical impedance spectroscopy for Ni-B, Ni-B-Cr, and Ni-B-Cu nanoparticles recorded at 0.5 V in 1.0 mol/L NaOH+1.0 mol/L CH3OH solution. Inset is the corresponding electrical equivalent circuit
等效電路由5個元件組成:溶液電阻(Rs)、常相位角元件CPE(Q)、電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)、表面吸附電阻(Rads)、吸附過程的電容(Qads).CPE(Q)代表的是電極與溶液之間界面的雙層電容(Cdl),表示與理想電容理想行為的偏差[20,29]。CPE的阻抗定義如下:
ZCPE=[Y0(jw)n]-1.
式中:Y0是與表面電活性相關(guān)的常數(shù),w是徑向頻率,指數(shù)n來源于lgZ對lgf的斜率,其值為-1≤n≤1.若n=0,則CPE表現(xiàn)為純電阻;若n=1,則CPE表現(xiàn)為純電容。
從表3中可以看出,Ni-B納米合金摻雜Cr后,甲醇氧化的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct增大,表面吸附電阻Rads減小;摻雜Cu元素后,甲醇氧化的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct和表面吸附電阻Rads均減小??梢?,Cu促進(jìn)了Ni-B-Cu納米粒子上甲醇電氧化吸附過程的動力學(xué),提高了Ni-B-Cu納米粒子的催化活性。
2.2.4計時電流法測試結(jié)果
圖7是Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子在1.0 mol/L NaOH+1.0 mol/L CH3OH溶液中對甲醇電催化氧化的計時電流曲線(CA)(電位0.7 V,持續(xù)時間3 600 s).由圖7可得,Ni-B,Ni-B-Cu和Ni-B-Cr納米粒子上極化電流在最初均迅速降低,接著電流小幅上升,再后電流進(jìn)入緩慢衰減階段,此時甲醇電氧化處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài),其中Ni-B-Cu的極化電流明顯高于Ni-B,Ni-B-Cr的極化電流,不過Ni-B-Cr的極化電流在衰減階段衰減幅度要明顯小于前兩者,可見,摻雜Cr元素提高了Ni-B納米粒子的活性穩(wěn)定性。
表3 根據(jù)Fig.6擬合的電化學(xué)阻抗譜參數(shù)Table 3 Fitting parameters of electrochemical impedance spectroscopy according to the equivalent circuit shown in Fig.6
圖7 Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子在1.0 mol/L NaOH+1.0 mol/L CH3OH溶液中的計時電流曲線(插圖為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時的放大圖)Fig.7 Chronoamperometry curves for methanol oxidation on Ni-B, Ni-B-Cr and Ni-B-Cu nanoparticles in 1.0 mol/L NaOH+1.0 mol/L CH3OH solution at 0.7 V. Inset is the enlarged view at quasi-steady states
綜合上述實驗結(jié)果可得,影響非晶態(tài)Ni-B-M納米粒子催化活性的一個重要因素是摻雜元素M對Ni元素的電子效應(yīng),有文獻(xiàn)報道,當(dāng)Ni的成鍵d電子轉(zhuǎn)移給M的d帶時,可增大Ni 3d軌道的空缺率,增強Ni 3d軌道對甲醇和吸附態(tài)反應(yīng)中間體的吸附能力,有利于甲醇的吸附動力學(xué)。在本研究中,摻雜元素分別選擇了Cr,Cu,前者Ni的成鍵d電子轉(zhuǎn)移給Cr 3d帶,增大了Ni 3d軌道的空缺率,后者Ni 3d帶接收Cu的成鍵d電子,減小了Ni 3d軌道的空缺率,也就是說,摻雜Cr元素提高了Ni活性位對甲醇的吸附能力,摻雜Cu元素降低了Ni活性位對甲醇的吸附能力。電化學(xué)阻抗實驗結(jié)果證明了摻雜Cr元素降低了Ni-B對甲醇的吸附阻抗。但Ni-B-Cr的催化活性并未因甲醇吸附能力提高而提高,反而由于吸附態(tài)甲醇較高的穩(wěn)定性,導(dǎo)致脫氫氧化后續(xù)步驟(電荷轉(zhuǎn)移)阻力的增大,催化活性不及Ni-B.另外,Ni-B-Cr表面Cr(Ⅵ)鉻酸鹽鈍化膜[30]的存在可能會覆蓋部分活性位點,這應(yīng)該也是Ni-B-Cr活性低的因素之一。不過,可能是由于Cr(Ⅵ)鉻酸鹽鈍化膜的存在防止了表面Ni原子的溶解損失,其活性穩(wěn)定性有了提高。
摻雜Cu元素不利于Ni活性位對甲醇的吸附,但表面Cu(Ⅲ) 以CuOOH和CuOO·H形式存在[31-32],其與NiOOH作用相同,是吸附態(tài)甲醇脫氫氧化的活性物質(zhì),Cu活性中心作用機制如下:
Cu(Ⅱ)+OH-→Cu(Ⅲ)+e-.
Cu(Ⅲ)+CH3OHads+OH-→Cu(Ⅱ)+CO2+H2O .
Cu和Ni活性中心共同起到吸附甲醇和吸附態(tài)甲醇脫氫氧化作用,提高了Ni-B-Cu甲醇吸附能力,降低了電荷轉(zhuǎn)移阻力,提高了催化活性。
通過化學(xué)還原法可以成功制備Ni-B,Ni-B-Cr和Ni-B-Cu納米粒子;納米粒子均呈類球形,摻雜Cr和Cu元素可減小Ni-B粒徑;摻雜Cr能夠引起Ni成鍵d電子向Cr 3d轉(zhuǎn)移的電子效應(yīng),增強Ni活性中心對甲醇的吸附能力;相反,摻雜Cu能夠引起Cu成鍵d電子向Ni 3d轉(zhuǎn)移的電子效應(yīng)。Ni-B-Cu納米粒子對甲醇電氧化具有更佳的催化活性, Ni-B-Cr具有較高的活性穩(wěn)定性。相關(guān)研究結(jié)論將為提高非晶態(tài)Ni-B納米粒子催化活性提供指導(dǎo)。