凹凸棒石/g-C3N4復(fù)合材料的制備及其電催化析氧性能研究

張盛, 蔣億, 紀(jì)媛媛, 杜瑩, 盛振環(huán), 殷竟洲, 李喬琦, 張莉莉

凹凸棒石/g-C3N4復(fù)合材料的制備及其電催化析氧性能研究

張盛, 蔣億, 紀(jì)媛媛, 杜瑩, 盛振環(huán), 殷竟洲, 李喬琦, 張莉莉

(淮陰師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院, 江蘇省低維材料化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇省環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室, 淮安 223300)

以凹凸棒石(ATP)為載體, 通過(guò)原位沉積, 結(jié)合冷凍干燥、程序焙燒工藝在其表面負(fù)載不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的類石墨相氮化碳(g-C3N4)薄層材料, 制備系列ATP/g-C3N4復(fù)合材料用于電催化析氧反應(yīng), 產(chǎn)物標(biāo)識(shí)為ATP/g-C3N4-(質(zhì)量分?jǐn)?shù)=ATP: (ATP +g-C3N4)=0.33、0.40、0.50、0.67), 并研究在0.1 mol/L KOH的電解液中的電催化析氧性能。結(jié)果表明: g-C3N4薄層通過(guò)Si–O–C鍵牢固負(fù)載于凹凸棒石表面, 從而有效調(diào)變g-C3N4表面的電子層結(jié)構(gòu), 提供更多的催化活性位點(diǎn)。電催化析氧測(cè)試的結(jié)果表明: ATP/g-C3N4-0.50具有最優(yōu)的析氧催化性能, 在10 mA/cm2電流密度下其析氧過(guò)電位為410 mV, 塔菲爾斜率為118 mV/dec, 并表現(xiàn)出優(yōu)異的析氧穩(wěn)定性。

凹凸棒石; 石墨相氮化碳; 電催化; 析氧反應(yīng)

氫能具有燃燒熱值高、無(wú)污染且儲(chǔ)量豐富等特點(diǎn), 是最為理想的二次能源之一[1]。相對(duì)于其他制氫方法, 電解水制氫具有制備氫氣純度高、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn), 自1800年 Nicholson和Carlisle發(fā)現(xiàn)了電解水技術(shù)以來(lái)[2], 電解水技術(shù)引起了廣泛注意。但較高的析氧過(guò)電位一直是高能耗的主要原因, 因此如何降低析氧過(guò)電位成為電解水制氫的熱點(diǎn)問(wèn)題。尋求高效廉價(jià)的析氧陽(yáng)極材料, 降低陽(yáng)極過(guò)電位, 提高其析氧性能進(jìn)而減少能耗是目前科學(xué)研究的重點(diǎn)[3-5]。

近年來(lái)的研究表明, 石墨相氮化碳(g-C3N4)具有優(yōu)異的電催化析氧性能[6-8], 而且具有熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、無(wú)毒無(wú)害、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[9], 但g-C3N4的層與層之間具有較強(qiáng)的范德華力, 進(jìn)而導(dǎo)致其堆積緊密, 比表面積小、表面活性位點(diǎn)少, 而且禁帶寬度較大、光生電子–空穴易于復(fù)合、光生載流子傳輸慢等嚴(yán)重降低了催化活性。為了提高g-C3N4的催化活性, 人們采取了一系列的改性方法, 如利用金屬/非金屬元素的摻雜、貴金屬沉積、有機(jī)物共聚、半導(dǎo)體復(fù)合和模板法合成g-C3N4多種納米結(jié)構(gòu)等手段來(lái)調(diào)控g-C3N4的能帶結(jié)構(gòu)、增加比表面 積[10-15]。此外, 將g-C3N4剝離成二維薄層材料, 可以產(chǎn)生更多的表面活性位點(diǎn), 縮短電子間的輸送距離, 表現(xiàn)出高效的電化學(xué)性能[16], 但其存在二次聚集的趨勢(shì)。將g-C3N4負(fù)載于高比表面積的材料上, 在大幅度提高其比表面積的同時(shí), 可以有效地防止二維片層材料的團(tuán)聚或二次堆積[17]。

凹凸棒石是一種以含水富鎂硅酸鹽為主的層鏈狀結(jié)構(gòu)的粘土礦物, 具有獨(dú)特的纖維狀晶體結(jié)構(gòu)和發(fā)達(dá)的內(nèi)外比表面積, 是一種天然的一維納米材料。凹凸棒石表面富含羥基和明顯的負(fù)電性, 容易與氨基等極性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng), 成為其接枝或改性等重要活性位點(diǎn)[18]?；诖? 為了提高g-C3N4的比表面積和暴露更多的反應(yīng)活性位點(diǎn), 本工作以凹凸棒石為載體, 將g-C3N4薄層原位包覆在其表面, 制備出新型復(fù)合電催化劑ATP/ g-C3N4, 與第一過(guò)渡金屬及其氧化物相比, 具有成本低、活性較高等優(yōu)點(diǎn)[19]。實(shí)驗(yàn)還研究了ATP/g-C3N4復(fù)合材料的電催化析氧反應(yīng)(OER)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 主要試劑及儀器

主要試劑: 凹凸棒石(江蘇省淮源礦業(yè)有限公司); KH560(南京帝蒙特化學(xué)試劑有限公司); 甲苯、無(wú)水乙醇、氫氧化鉀和三聚氰胺(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

主要儀器: 電化學(xué)工作站GHI-660E、飽和甘汞電極CHI-150(上海辰華儀器公司); 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司); 油浴鍋DF-101S (河南省予華儀器有限公司); 循環(huán)水式真空泵SHZ-DCI(鞏義市英峪予華儀器廠)。

1.2 制備催化劑

(1) 制備g-C3N4樣品

稱取0.4 g 三聚氰胺分散在50 mL的去離子水中, 超聲分散, 80 ℃冷凝回流2 h, 接著冷凍干燥 48 h。產(chǎn)物研磨后加入到石英舟中, 將石英舟置于管式爐中, 在空氣氣氛下程序升溫, 升溫的程序?yàn)? 0.5 h從室溫升溫至500 ℃, 保溫2 h后繼續(xù)2 min升溫至520 ℃, 保溫2 h后自然降溫至室溫, 充分研磨至粉狀, 得到純相g-C3N4。

(2) 制備ATP/g-C3N4樣品

(a) 硅烷偶聯(lián)劑改性: 稱取3 g凹凸棒石及100 mL的甲苯依次加入四頸燒瓶中, 攪拌均勻, 升溫至60 ℃保溫0.5 h后, 邊攪拌邊加入2.5 mL KH560, 攪拌反應(yīng)4 h, 反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾分離后依次用甲苯、無(wú)水乙醇洗滌, 并在60 ℃烘箱中干燥, 得到ATP-KH560, 研磨過(guò)200目(75mm)篩備用;

(b)復(fù)合材料的制備過(guò)程: 稱取0.302 g ATP- KH560分散在100 mL的去離子水中, 超聲分散; 然后加入0.604 g三聚氰胺, 攪拌, 80 ℃冷凝回流2 h, 接著冷凍干燥48 h。產(chǎn)物研磨后加入到石英舟中, 將石英舟置于管式爐中, 在空氣氣氛下程序升溫, 升溫的程序?yàn)? 0.5 h從室溫升溫至500 ℃, 保溫2 h后繼續(xù)2 min升溫至520 ℃, 保溫2 h后自然降溫至室溫, 充分研磨至粉狀, 得ATP/g-C3N4-0.50復(fù)合材料。采用上述同樣的方法, 通過(guò)調(diào)節(jié)三聚氰胺含量制備不同三聚氰胺含量的ATP/g-C3N4復(fù)合材料(=0.67, 0.40, 0.33時(shí), 三聚氰胺用量分別為0.604、0.906、1.208 g)。

(3)為了便于比較, 將預(yù)先合成的g-C3N4與純ATP按比例進(jìn)行機(jī)械混合(Mechanical mixture), 測(cè)試混合物的電催化析氧性能。

1.3 制備電極

(1)預(yù)制備泡沫鎳

選取孔徑為149 μm的4 cm×1 cm大小的泡沫鎳(2片), 依次用丙酮, 1 mol/L鹽酸和去離子水超聲清洗30 min, 然后在60 ℃烘箱中干燥過(guò)夜。

(2)制備復(fù)合材料電極

分別稱8 mg的g-C3N4或ATP/g-C3N4、1.5 mg的乙炔黑粉體于研缽中, 研磨均勻后加入1wt%的聚乙烯溶液, 用軟毛筆將樣品均勻涂覆在泡沫鎳電極上, 再將其放在60 ℃的烘箱中干燥過(guò)夜。

1.4 表征儀器及方法

采用瑞士ARLXTRA型X射線粉末衍射儀表征樣品的物相; 采用Beckman Coulter公司生產(chǎn)的Coulter SA 3100型表面孔徑吸附儀測(cè)試樣品的比表面積(BET); 通過(guò)傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet is 50 FT-IR)對(duì)樣品進(jìn)行紅外分析; 采用日立S3000型掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀形貌; 在ESCALAB 250 (Thermo)型光電子能譜XPS儀上分析樣品的表面元素價(jià)態(tài); 在STA449F3同步熱分析儀上(空氣氣氛, 升溫速率10 ℃/min)對(duì)樣品進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析。

1.5 析氧性能測(cè)試

使用CHI-660E電化學(xué)工作站測(cè)試樣品的析氧性能, 采用三電極體系, 使用玻璃三室電解槽 (150 mL), 輔助電極為大面積鉑片(2 cm× 2 cm), 參比電極為飽和甘汞電極(SCE), 工作電極為自制g-C3N4和不同比例ATP/g-C3N4的復(fù)合電極, 電解液為0.1 mol/L KOH溶液, 循環(huán)伏安曲線測(cè)試的掃描速度為50 mV·s–1, 電壓掃描均為0~1.2 V (RHE)。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)與形貌分析

圖1(a)是不同催化劑的XRD圖譜。由圖可見(jiàn), ATP的衍射峰依次出現(xiàn)在2= 8.4°、19.6°、26.8°、35.1°, 這些衍射峰與凹凸棒石的特征峰相一致。g-C3N4的衍射峰依次出現(xiàn)在2=12.98°、27.56°, 與g-C3N4(JCPDS 50-1250)標(biāo)準(zhǔn)譜圖一致, 分別來(lái)自于g-C3N4的3-s-三嗪?jiǎn)卧?100)晶面和共軛芳族體系堆疊形(002)晶面[20-22], 說(shuō)明制備的樣品是g-C3N4,且純度比較高。對(duì)比圖1(a,b)可知, 在不同比例的ATP/g-C3N4的圖譜中均出現(xiàn)了凹凸棒石和g-C3N4的特征峰, 包覆g-C3N4之后, 凹凸棒石的部分特征峰明顯減弱, 這是由于g-C3N4包覆在凹凸棒石表面, 使得凹凸棒石的特征峰變?nèi)? 表明改性過(guò)程中沒(méi)有破壞凹凸棒石的特征結(jié)構(gòu), 且g-C3N4成功負(fù)載在凹凸棒石表面。

圖2為不同復(fù)合材料的紅外譜圖。由圖2(a)可以看出, 除了g-C3N4外, 其它樣品均在988和 1043 cm–1處出現(xiàn)了Si–O–Si的伸縮振動(dòng)特征峰[23]。與純ATP相比, ATP-KH560在814 cm–1處出現(xiàn)一個(gè)新的屬于C–O–C鍵的伸縮振動(dòng)特征峰, 表明KH560已成功地接枝到凹凸棒石表面; 經(jīng)焙燒之后, 814 cm–1處的吸收峰消失, 說(shuō)明焙燒之后KH560沒(méi)有殘留。g-C3N4和ATP/g-C3N4-0.50在1637、1433、1325和1250 cm–1處的吸收峰分別歸屬于碳氮環(huán)上的C–N單鍵、C=N雙鍵的伸縮振動(dòng), 在809 cm–1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于三嗪?jiǎn)卧狢–N鍵的彎曲振動(dòng)[24], 說(shuō)明g-C3N4很好地負(fù)載在ATP上了。結(jié)合圖2(b)可知, 除ATP/g-C3N4-0.67因ATP量過(guò)多在809 cm–1沒(méi)有表現(xiàn)出相應(yīng)的特征峰, 其它ATP/g-C3N4復(fù)合材料的特征峰與ATP/g-C3N4-0.50相似, 可知g-C3N4均很好地包覆在凹凸棒石上。

圖1 不同催化劑(a)和不同比例ATP/g-C3N4催化劑(b)的XRD圖譜

圖2 不同催化劑(a)和不同比例ATP/g-C3N4催化劑(b)的紅外譜圖

通過(guò)X射線光電子能譜(XPS)分析對(duì)ATP/ g-C3N4-0.5的表面元素價(jià)態(tài)進(jìn)行研究, 圖3為ATP/ g-C3N4-0.5樣品的XPS圖譜。由全譜分析表明ATP/ g-C3N4-0.5樣品表面覆蓋有Si、Al、Mg、O、N和C元素, 其中Si、Al、Mg和O來(lái)自于凹凸棒石, 而N和C來(lái)自于表面包覆的g-C3N4。根據(jù)圖3(b)中C 1s的譜圖, C的結(jié)合能在284.6、286.2 和 287.5 eV出現(xiàn)一組峰分別對(duì)應(yīng)于g-C3N4中的C–C鍵、C–N鍵C–N3鍵。從圖3(c)中可以看出N 1s有三種不同的峰出現(xiàn)在398.2、398.8和399.7 eV處, 分別對(duì)應(yīng)于g-C3N4的C=N–C鍵、N–C3鍵和 C–N–H鍵。從 圖3(d)中可以看出O 1s出現(xiàn)在531.2、532.1和533.4 eV的三種不同的峰分別歸屬于Si–O–Si鍵、Si–O–H鍵和Si–O–C鍵。圖3(e)給出了Si 2p的三種不同的峰101.7、102.6和103.4 eV, 分別歸屬于Si–O–Si鍵、Si–O–H鍵和 Si–O–C鍵[25]。由圖3(d)和(e)可知, 經(jīng)過(guò)520 ℃煅燒后, ATP和g-C3N4之間通過(guò)一個(gè)新的Si–O–C鍵結(jié)合在一起而不是簡(jiǎn)單的物理結(jié)合。

圖4給出了不同材料的掃描電鏡(SEM)照片, 由圖4(a)中可以看出, 制備的g-C3N4呈明顯的層狀結(jié)構(gòu), 層與層之間堆積得很致密。圖4(b)中凹凸棒石是由平均直徑為50~70 nm, 長(zhǎng)度為1000~2000 nm棒狀纖維組成, 這種棒狀纖維結(jié)構(gòu)有利于做納米催化劑的載體。如圖4(c)所示, ATP/g-C3N4-0.50復(fù)合材料中g(shù)-C3N4均勻地負(fù)載在凹凸棒石表面, 無(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。圖4(d)是ATP/g-C3N4-0.50復(fù)合催化劑的EDAX圖譜, 從圖中可以看出ATP/g-C3N4復(fù)合催化劑是由C、N、O、Al、Mg 和 Si元素組成, 這與FT-IR、XPS分析結(jié)果一致。上述結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)g-C3N4薄層材料的形成并已成功負(fù)載在凹凸棒石表面。其他比例的ATP/g-C3N4的SEM照片與ATP/g-C3N4-0.50類似。

圖3 ATP/g-C3N4-0.5的XPS譜圖

(a) Wide scan; (b) C 1s; (c) N 1s; (d) O 1s; (e) Si 2p

圖4 g-C3N4(a)和ATP(b)的SEM照片; ATP/g-C3N4-0.50的SEM照片(c)和EDAX圖譜(d)

通過(guò)TG/DSC手段確定復(fù)合物中g(shù)-C3N4的含量。如圖5所示, 從TG/DSC曲線上可以看出純凹凸棒石的失重率比較低, 僅為10%左右, 這主要來(lái)自于凹凸棒石中吸附水、結(jié)晶水的揮發(fā)和高溫分解; 純g-C3N4失重率幾乎為100%, 從400 ℃開始分解, 至750 ℃分解完全, 全部轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)小分子, 這與其有機(jī)聚合物性質(zhì)相一致; 對(duì)于ATP/g-C3N4-0.5, 其失重率為53%, 與其50%的負(fù)載量基本一致, 但其分解溫度較純相的g-C3N4明顯降低, 至550 ℃時(shí)失重完全, 而且放熱量大幅增加, 說(shuō)明經(jīng)過(guò)共價(jià)鍵與凹凸棒石鏈接以后, 表面的g-C3N4薄層化學(xué)活性得到明顯增強(qiáng), 與其后續(xù)的電催化性能提高相對(duì)應(yīng)。其他比例的復(fù)合材料結(jié)果與此類似, 不再贅述。

表1給出了每個(gè)樣品的比表面積, 從表中可以看出, ATP/g-C3N4的比表面積遠(yuǎn)大于純g-C3N4(8.821 m2/g), 而且隨著凹凸棒石量的增加, ATP/g-C3N4的比表面積逐漸增大。這是由于載體凹凸棒石具有較大的比表面積(190.8 m2/g), 而且g-C3N4被剝離為薄層, 均勻負(fù)載在凹凸棒石表面, 使得 g-C3N4比表面積大幅增大, 這是影響電催化性能的一個(gè)重要因素。

圖5 不同樣品的TG (a)和DSC (b)曲線

表1 各樣品的比表面積

2.2 電催化析氧性能研究

為了驗(yàn)證不同組成ATP/g-C3N4復(fù)合材料以及ATP和g-C3N4機(jī)械混合物(Mechanical mixture)的催化性能, 在0.1 mol/L KOH溶液中測(cè)試了電解水析氧性能。圖6是催化材料的循環(huán)伏安曲線, 電極在循環(huán)過(guò)程均表現(xiàn)出閉合的曲線, 說(shuō)明制備的材料具有良好的電化學(xué)可逆性。

圖7(a)為不同比例復(fù)合材料及機(jī)械混合物析氧電極的極化曲線(LSV), 可以看出不同樣品都有一定程度的氧化峰, 具有一定的氧化性能, 但相比而言, ATP/g-C3N4復(fù)合電極均比機(jī)械混合物強(qiáng)。圖7(b)比較了ATP/g-C3N4復(fù)合電極與純相g-C3N4電極, 發(fā)現(xiàn)ATP/g-C3N4復(fù)合電極雖然起峰電位相近, 但是在相同電位下的電流密度明顯增大, 當(dāng)電勢(shì)為1.7 V時(shí), ATP/g-C3N4復(fù)合電極的電流密度遠(yuǎn)大于純相g-C3N4電流密度, 表明其催化性能得到了明顯提高。這是由于g-C3N4負(fù)載于凹凸棒石表面之后, 不僅增大了電極的比表面積, 增加了電活性位點(diǎn), 而且由于g-C3N4和ATP之間存在的Si–O–C鍵合, 有助于電子傳輸, 進(jìn)一步提高了析氧性能。圖7(c)比較了不同比例ATP/g-C3N4-復(fù)合材料的析氧性能, 如表2所示, 可以發(fā)現(xiàn)催化材料在電流密度為10 mA/cm2下的析氧過(guò)電位并不相同, 表明隨著ATP比例的增加, 復(fù)合材料的析氧性能也發(fā)生了變化。如圖7(d)所示, 過(guò)電勢(shì)隨著ATP比例的增加先降低后升高, 其中ATP/g-C3N4-0.50 的復(fù)合電極在10 mA/cm2電流密度下的析氧過(guò)電位為410 mV, 說(shuō)明在此比例下的ATP/g-C3N4電子傳輸距離最短, 傳輸效率最大, 具有最佳的析氧性能。其它比例的復(fù)合材料可能由于氮化碳過(guò)多造成團(tuán)聚或者凹凸棒石量過(guò)多影響其電催化析氧性能。

圖6 催化材料的循環(huán)伏安曲線

圖7 不同比例ATP/g-C3N4復(fù)合材料及機(jī)械混合物的LSV圖(a), g-C3N4與ATP/g-C3N4的LSV對(duì)比(b), ATP/g-C3N4-w的LSV圖(c)和過(guò)電勢(shì)趨勢(shì)圖(d)

表2 催化劑在10 mA/cm2下的析氧過(guò)電位E(V vs RHE)和過(guò)電勢(shì)及Tafel曲線的斜率

圖8為g-C3N4和不同比例的ATP/g-C3N4的Tafel曲線。Tafel斜率表示過(guò)電位隨著電流密度增加的變化快慢, 數(shù)值越低代表電極的性能越好。根據(jù)這一定義結(jié)合表2, 可以發(fā)現(xiàn)ATP/g-C3N4-0.50的Tafel 斜率在118 mV/dec最小, 析氧性能最好; g-C3N4的Tafel斜率最大, 為155 mV/dec, 對(duì)應(yīng)析氧性能最差。進(jìn)一步說(shuō)明了氮化碳負(fù)載在凹凸棒石表面可以大幅度提高其析氧性能, 且ATP/g-C3N4-0.50的Tafel 斜率最小, 說(shuō)明材料具有作為電催化析氧材料的潛質(zhì), 與極化曲線得出了相一致的結(jié)論。

通過(guò)以上分析, 氮化碳負(fù)載于凹凸棒石表面, 增大了其比表面積, 增加了電活性點(diǎn), 進(jìn)而提高其電催化析氧性能。為了驗(yàn)證材料的晶體尺寸和比表面積是影響材料析氧催化性能的主要因素, 測(cè)試了陰極材料的EIS曲線。如圖9所示, 所有電極材料的EIS曲線都由溶液電阻和電荷傳遞電阻組成。隨著凹凸棒石與氮化碳比例的增加, 材料的電阻先減小后增加, ATP/g-C3N4-0.50具有最低的電荷傳遞電阻, 說(shuō)明此復(fù)合比例的復(fù)合材料具有最佳的電荷傳遞能力, 從而促進(jìn)其析氧催化性能, 也是ATP/g-C3N4-0.50具有最優(yōu)異的析氧催化性能的直接原因。

圖8 g-C3N4和不同比例的ATP/g-C3N4的Tafel曲線

圖9 為析氧陽(yáng)極材料的EIS曲線

為測(cè)試最佳復(fù)合電極的析氧穩(wěn)定性, 圖10給出了ATP/g-C3N4-0.50陽(yáng)極在恒電勢(shì)1.4 V下電解1.1′104s的曲線圖, 可以看出電流在7′103s之前呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 這是由于電解初期工作電極產(chǎn)生大量氣體不能迅速得到釋放, 導(dǎo)致電極上微孔氣塞, 故電流有下降趨勢(shì); 之后基本保持在0.102 A, 說(shuō)明ATP/g-C3N4-0.50復(fù)合電極在堿性溶液中作為析氧陽(yáng)極有很好的電催化穩(wěn)定性。上述結(jié)果顯示, g-C3N4負(fù)載在凹凸棒石上形成的二維薄層材料是一種潛在的水解制氫的析氧催化劑。

3 結(jié)論

以凹凸棒石為載體, 通過(guò)原位沉積, 結(jié)合冷凍干燥、程序焙燒工藝在其表面負(fù)載g-C3N4。隨后制備了一系列不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ATP/g-C3N4。采用CV、LSV、Tafel和EIS等手段研究在0.1 mol/L KOH電解液中進(jìn)行電催化析氧反應(yīng)(OER)。研究發(fā)現(xiàn)ATP/g-C3N4復(fù)合電極比g-C3N4電極有更低的析氧過(guò)電位, 高的析氧性能, 表明g-C3N4負(fù)載于凹凸棒石形成了薄層材料, 增大了比表面積, 增加了表面活性位點(diǎn), 減少了電子的輸送距離, 因此其析氧能力得到較大的提高。通過(guò)比較不同比例ATP/g-C3N4, 發(fā)現(xiàn)ATP/g-C3N4-0.50具有更優(yōu)的析氧性能, 在 10 mA/cm2電流密度下, 析氧過(guò)電位為410 mV, 塔菲爾斜率為118 mV/dec, 并具有較好的析氧穩(wěn)定性。

圖10 ATP/g-C3N4-0.50恒電勢(shì)電解的I-t 曲線

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Attapulgite/g-C3N4Composites: Synthesis and Electrocatalytic Oxygen Evolution Property

ZHANG Sheng, JIANG Yi, JI Yuan-Yuan, DU Ying, SHENG Zhen-Huan, YIN Jing-Zhou, LI Qiao-Qi, ZHANG Li-Li

(Jiangsu Environmental Engineering Laboratory, Jiangsu Key Laboratory for Low-dimension Materials, School of Chemistry and Chemical Enginering, Huaiyin Normal University, Huaian 223300, China)

A novel kind of electrocatalytic oxygen evolution catalyst was fabricated by introducing g-C3N4ultrathin films onto the surface of attapulgite (ATP)a simpledepositing technique, combined with freeze-drying and programmed roasting process. The obtained product was identified as ATP/g-C3N4. In order to achieve the best catalyst, a series of ATP/g-C3N4composites with different mass fraction of ATP were obtained and marked as ATP/g-C3N4-whererepresents the mass fraction of ATP (=ATP: (ATP +g-C3N4)= 0.33, 0.40, 0.50, 0.67). Results show that g-C3N4thin layersare uniformly loaded onto the ATP surfacethe chemical bond (Si–O–C), which is beneficial to tailor the surface electronic structure of g-C3N4and provide more active sites. Their electrocatalytic oxygen evolution properties in 0.1 mol/L KOH were investigated. It is found that ATP/g-C3N4-0.50 presents the best oxygen evolution catalytic performance and has excellent oxygen evolution stability. Its oxygen evolution over potential is 410 mV and the Tafel slope is 118 mV/dec at a current density of 10 mA/cm2. The results suggest that ATP/g-C3N4-0.50 can be used as a potential oxygen evolution catalyst.

attapulgite; g-C3N4; electrocatalysis; oxygen evolution reaction

O469

A

1000-324X(2019)08-0803-08

10.15541/jim20180373

2018-08-15;

2018-10-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(51472101); 江蘇省六大人才高峰項(xiàng)目(JY-31); 江蘇省自然科學(xué)基金(BK20161305); 江蘇省高校大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃(201710323004Z)

National Natural Science Foundation of China (51472101); The Big Six-talent project of Jiangsu Province (JY-31), Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20161305); Undergraduate Innovation Program of Jiangsu Province (201710323004Z)

張盛(1996–), 男, 碩士研究生. E-mail: 545590570@qq.com

張莉莉, 教授. E-mail: zll@hytc.edu.cn