化学工业与工程  2024, Vol. 41 Issue (5): 43-50
钌掺杂制备混合晶相碳化钼电解水析氢
张佳柱 , 孙永利 , 杨晓东 , 杨娜 , 姜斌 , 肖晓明 , 澹台晓伟 , 张吕鸿     
天津大学化工学院, 天津 300072
摘要:通过离子交换法, 将Ru原子均匀负载于掺氮超薄碳化钼纳米片自组装的微米球表面, 调节前驱体中钌的含量, 从而调控了Ru-MoxC NFs中β-Mo2C和α-MoC1-x的比例, 得到了具有优异性能的析氢催化剂Ru-MoxC NFs-4, 由于混合晶相碳化钼具有更佳的氢吸附能和Ru与Mo2C基底之间的协同作用, 表现出了十分优异的析氢性能。Ru-MoxC NFs-4具有较低的过电位(η10为49 mV和η100为127 mV), Tafel斜率为51.3 mV·dec-1, 同时还具有良好的耐久性。这项研究为通过掺杂金属调控碳化物相组成设计高效析氢催化剂提供了新的思路。
关键词碳化钼    制氢    电化学        
Ruthenium-doped preparation of mixed crystalline phase molybdenum carbide for hydrogen evolution reaction
ZHANG Jiazhu , SUN Yongli , YANG Xiaodong , YANG Na , JIANG Bin , XIAO Xiaoming , TANTAI Xiaowei , ZHANG Lvhong     
School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China
Abstract: Ru atoms were uniformly loaded on the surface of self-assembled micrometer spheres of nitrogen-doped ultrathin molybdenum carbide nanosheets by ion-exchange method, and the ratio of β-Mo2C and α-MoC1-x in Ru-MoxC NFs was adjusted by adjusting the content of ruthenium in the precursors, Ru-MoxC NFs-4 catalyst with excellent hydrogen precipitation performance was obtained, which exhibited very good hydrogen precipitation performance due to the better hydrogen adsorption energy of the mixed crystalline phase molybdenum carbide and the synergistic effect between Ru and Mo2C substrates. Ru-MoxC NFs-4 exhibited low overpotentials (η10=49 mV and η100=127 mV), a Tafel slope of 51.3 mV·dec-1, and good durability. This study provides a new idea for the design of efficient catalysts for hydrogen evolution reaction by tuning the carbide phase composition through doping with metals.
Keywords: molybdenum carbide    hydrogen production    electrochemistry    ruthenium    

近年来,电解水制氢因其具有大规模生产高纯度氢气、无碳排放和可持续性等优点,受到了研究界的广泛关注[1]。目前,贵金属基材料仍是最有效的析氢反应(HER)电催化剂。但是,稀缺性和高成本严重阻碍了其大规模工业应用[2]。因此,人们在寻求非贵金属基的HER催化剂方面投入了大量的努力,如钼基[3-6]、铁基[7]、镍基[9]和钴基[10-13]等过渡金属基的HER电催化剂得到了广泛的研究。其中,碳化钼(Mo2C)因其类似铂的d带电子结构,性能卓越[6]。特别是对于析氢反应,Mo2C独特的电子结构和高电导率不仅可以作为其他活性中心(如贵金属)的载体,同时也可以调节其他组分的电子结构,因此已经成为理想的析氢催化剂候选之一[7]。然而,Mo2C在HER反应中与氢结合能太大,导致其表面H(Hads)的强烈吸附,抑制了Hads的解吸,从而阻碍了电解水过程中H2的生成[8]。通过多种方法制备出混合晶相的碳化钼,与单一相的碳化钼相比,其结合能和氢的吸附能更低,因此表现出更高的HER活性。

碳负载贵金属纳米材料作为最有效的HER电催化剂,具有活性高的特点,但存在价格高、耐久性差的问题[15-17]。在各种贵金属中,Ru被认为是Pt的潜在替代品。钌(Ru)是一种成本相对较低的贵金属(约为铂成本的4%)[18],其金属-氢键强度与铂相似,近年来报道了各种纳米结构的钌基电催化剂,具有显著的HER活性。但钌基电催化剂负载量大、稳定性差等问题仍有待解决[15, 18]

基于以上观点,混合晶相的碳化钼负载高度分散的钌,能够调节碳化钼的电子性质,同时降低贵金属负载量并提高稳定性,预期在碱性条件下将具有优异的电解水析氢性能。本项工作采用了离子交换策略,通过将RuCl62-替换钼基有机无机杂化物中的MoO42-制得了前驱体,再经煅烧得到具有优异性能的析氢催化剂Ru-MoxC NFs-4。研究发现,这种策略能够均匀地将钌分散在掺氮碳化钼微花上,提高催化剂的质量比活性和贵金属的利用效率。更重要的是,钌的引入促进了相转变,从而加速了从β-Mo2C到α-MoC1-x的相转变。结合钌在氮掺杂超薄碳化钼纳米片自组装微米球表面的高度分散以及碳化钼多相协同作用,使Ru-MoxC NFs-4具有良好的析氢性能。这一成果为通过掺杂高分散金属/多相碳化钼纳米结构,实现催化剂晶体的可控相转变,制备出性能优异的析氢催化剂,提供了新的思路。

1 实验 1.1 催化剂的制备

(1) 催化剂Mo2C NFs-x的合成:首先将1 mmol四水合钼酸铵[(NH4)6Mo7O24 ·4H2O]溶解于20 mL去离子水中,在室温下搅拌10 min使其完全溶解。随后,向悬浮液中添加0.4 g盐酸多巴胺,溶液迅速变为砖红色。搅拌5 min后,将40 mL乙醇倒入上述溶液中。继续搅拌5 min后,向上述悬浮液中快速滴加0.6 mL NH3 ·H2O(25%~28%,质量分数,下同)。继续搅拌2 h后,用去离子水和无水乙醇对其反复洗涤。然后离心收集橙红色沉淀物,并冻干20 h,得到前驱体Mo-PDA。最后,在Ar气氛下加热3 h至800 ℃,升温速率为5 ℃ ·min-1,冷却至室温后,在1%的O2/Ar混合气中钝化2 h得到Mo2C NFs。

(2) 催化剂Ru-MoxC NFs的合成:与制备Mo2C NFs的过程类似,在调整pH值后,将混合物搅拌2 h后在混合溶液中加入(NH4)2RuCl6。通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测试其中Ru的含量,如表 1所示。

表 1 氯钌酸铵的加入量以及对应的样品中Ru的含量 Table 1 The amounts of (NH4)2RuCl6 added and the contents of Ru in the corresponding ICP-MS samples
样品 (NH4)2RuCl6
加量/mmol
w(Ru)/
%
w(Ru)/
%
Ru-MoxC NFs-1 0.014 0.21 0.038
Ru-MoxC NFs-2 0.035 0.48 0.087
Ru-MoxC NFs-3 0.070 1.05 0.190
Ru-MoxC NFs-4 0.140 2.10 0.380
Ru-MoxC NFs-5 0.280 3.60 0.650
Ru-MoxC NFs-6 0.560 6.90 1.230
Mo2C NFs 0 0 0
1.2 催化剂表征方法

使用Regulus 8100场发射扫描电子显微镜测试样品的形貌和结构。采用JEM-2100 F透射电子显微镜对样品进行内部精细结构、物相晶面的测试;使用其配备的X-射线能量散射光谱仪测试样品的元素成分、含量以及分布情况。样品的晶相组成采用Cu_Kα为射线光源的D8 diffractometer X-射线衍射仪测定。样品的拉曼光谱则通过inVia Plus激光拉曼仪(532 nm)测试。样品表面的元素组成、化学键以及元素价态使用X-射线光电子能谱(ESCALAB Xi+)进行测试。使用电感耦合等离子体-质谱联用仪(Thermo iCAP 6000)测试样品中金属元素的含量。

1.3 工作电极的制备

5 mg的催化剂样品、600 μL去离子水、350 μL乙醇以及50 μL萘酚(Nafion)溶液(质量分数5%)混合后,超声处理1 h。分散均匀后,用移液枪量取5 μL的上述分散液滴加到已经打磨干净的玻碳电极上,室温下自然风干后可得负载0.35 mg ·cm-2催化剂的工作电极。

1.4 电化学测试

使用上海辰华CHI 760E电化学工作站测试样品的电化学性能。采用三电极体系,氧化汞电极(Hg/HgO,1.0 mol ·L-1 KOH溶液)作为1.0 mol ·L-1 KOH电解质中的参比电极,碳棒作为对电极,负载催化剂的3.0 mm玻碳电极作为工作电极。通过线性扫描伏安(LSV)曲线、循环伏安(CV)曲线以及阻抗谱(EIS)、计时电流法等测试对其碱性条件下的析氢性能进行评价。此外,除了稳定性测量外,所有的电流密度都是在iRs补偿为90%的情况下采集。

2 结果与讨论 2.1 催化剂的合成

图 1展示了催化剂Mo2C NFs和Ru-MoxC NFs的制备过程。首先将钼酸铵和多巴胺盐酸盐混合在水溶液中,在这个过程中,钼酸阴离子(MoO42-)与多巴胺快速螯合,得到了由片状插层自组装成的微球Mo-PDA[10]。离子交换法使加入的RuCl62-取代了Mo-PDA中的部分MoO42-,形成了前驱体RuMo-PDA。在Ar气氛下,前驱体Mo-PDA和RuMo-PDA在800 ℃高温热解得到Mo2C NFs和Ru-MoxC NFs。通过加入不同量的(NH4)2RuCl6来调节催化剂Ru-MoxC NFs中Ru的含量,其结果如表 1所示。

图 1 催化剂Ru-MoxC NFs的制备流程示意图 Fig.1 Schematic illustration of the synthesis process for Ru-MoxC NFs
2.2 催化剂的表征

采用粉末X-射线衍射(XRD)对所制备的样品的晶体结构进行表征。如图 2(a)所示,通过对比Mo2C NFs和Ru-MoxC NFs的样品,可以看出催化剂Mo2C NFs所呈现的特征峰均可归属于β-Mo2C,而催化剂Ru-MoxC NFs中还含有面心立方相α-MoC1-x的特征峰,并且随着Ru含量的提高,α-MoC1-x的特征峰比例也同步提升。这些结果表明,在焙烧过程中,前驱体Ru-MoPDA中钌的存在促使了面心立方相α-MoC1-x的生成,随着Ru含量的提高,α-MoC1-x的比例会同步提高。图 2(b)是放大的Ru-MoxC NFs和Mo2C NFs的XRD图像,从图 2(b)中可以看出,Ru-MoxC NFs-4中β-Mo2C的(101)峰向大角度偏移,证明了Ru成功掺杂进入碳化钼晶格。

图 2 (a) XRD谱图;(b) Mo2C NFs和Ru-MoxC NFs-4的XRD放大图 Fig.2 (a) XRD spectrum; (b) XRD enlargement of Mo2C NFs and Ru-MoxC NFs-4

为了分析样品的形貌和晶体结构信息,对样品进行了SEM和TME测试,结果如图 3(a)图 3(b)所示,Ru-MoxC NFs保持了Mo2C NFs的形貌。

图 3 形貌结构表征:(a),(b) Mo2C NFs和Ru-MoxC NFs-4的SEM图像;(c)~(e)Ru-MoxC NFs-4的TEM图像和放大图;(f) 框选区域傅立叶变换以及衍射光斑图;(g),(h)~(k)催化剂Ru-MoxC NFs的HAADF-STEM图像和能谱照片 Fig.3 Morphology and structure characterization: (a), (b) SEM images of Mo2C NFs and Ru-MoxC NFs-4;(c)—(e) TEM image and enlarged view of Ru-MoxC NFs-4; (f) Fourier transform and diffraction facula of the framed area; (g), (h)—(k) HAADF-STEM images and energy spectrum photos of catalyst Ru-MoxC NFs-4

从Ru-MoxC NFs-4的透射电镜图[图 3(c)~图 3(e)]中,红色框中可以观察到晶格间距分别为0.258、0.221和0.220 nm的晶格条纹;绿色框中可以观察到晶格间距分别为0.240、0.239和0.204 nm的晶格条纹,相应的傅里叶变换图也分别出现了β-Mo2C和α-MoC1-x的特征衍射光斑图 3(f)。验证了催化剂Ru-MoxC NFs中同时含有β-Mo2C和α-MoC1-x图 3(g)~图 3(k)为Ru-MoxC NFs的HAADF-STEM图像以及对应的能谱图像,从图 3中可以看出,Ru元素均匀分布在催化剂表面。

以上结果说明Ru-MoxC NFs能够保持Mo2C NFs的形貌,并且均匀掺入了Ru,能够使得β-Mo2C转化为α-MoC1-x,得到混合晶相的碳化钼。

为了进一步研究材料表面的化学组成和价态,对样品进行了X射线光电子能谱(XPS)测试。如图 4(a)所示,样品的XPS全光谱显示了其表面上存在C、O、N、Mo和Ru等元素。图 4(b)显示,Ru-MoxC NFs-4的N 1s光谱表明其吡啶氮和Mo-N的峰值百分比明显高于Mo2C NFs中的峰值百分比。这说明Ru的掺入提高了吡啶N的含量,从而增强了钼原子和氮原子之间的电子转移[19]图 4(c)中Mo 3d的谱图显示,表面上存在Mo2+、Mo4+和Mo6+ 3种价态[20]。前人的研究表明,Mo2+是电催化HER的活性中心,而在Ru-MoxC NFs-4表面上的Mo2+物种比例更高,这可能是因为电子从Ru转移到Mo2C。Ru高分辨3p光谱[图 4(d)]证明了Ru-MoxC NFs中金属Ru的存在。

图 4 (a) Ru-MoxC NFs-4和Mo2C NFs的XPS全谱;(b)~(d) 对应的N 1s、Mo 3d和Ru 3p的高分辨精细谱 Fig.4 (a) XPS full spectrum of Ru-MoxC NFs-4 and Mo2C NFs; (b)—(d) High-resolution fine spectra of corresponding N 1s, Mo 3d and Ru 3p of Ru-MoxC NFs-4
2.3 电化学性能测试及分析

采用三电极体系进行电催化HER测试,研究了催化剂在氮气饱和的1.0 mol ·L-1 KOH碱性溶液条件下的HER性能。如图 5(a)所示,极化曲线结果表明,Ru-MoxC NFs-4具有最优异的HER性能。其表现出了低的析氢过电位,η10为49 mV,接近20%铂碳(39 mV),而远低于Mo2C NFs(210 mV);在更高的电流密度下,Ru-MoxC NFs-4逐渐超越20%铂碳,η100仅为127 mV,低于20%铂碳(141 mV),同样远低于Mo2C NFs(395 mV)。Ru-MoxC NFs-4的HER性能的增强是由于混合晶相的碳化钼降低了HER反应的结合能,并同时锚定在MoxC NFs上的Ru粒子与其协同作用。

图 5 (a) Ru-MoxC NFs、Mo2C NFs和商业Pt/C的线性伏安曲线(LSV)图,插图为达到10 mA ·cm-2电流密度所需过电位;(b) 对应的Tafel曲线及斜率;(c) 样品对应的阻抗谱插图为模拟电路图;(d) 样品的电化学双层电容;(e) i-t曲线;(f) i-t测试前后LSV曲线对比以及i-t测试后的样品的SEM图像 Fig.5 (a) LSV curves of Ru-MoxC NFs, Mo2C NFs and commercial Pt/C, with illustrations of overpotential required to achieve a current density of 10 mA ·cm-2; (b) The corresponding Tafel curve and slope; (c) Impedance spectrum corresponding to the sample (the illustration is an analog circuit diagram; (d) Electrochemical double-layer capacitance of the sample; (e)i-t curve; (f) Comparison of LSV curve before and after i-t test and SEM image of the sample after i-t test

通过计算不同样品的Tafel斜率,以分析HER的反应动力学行为。在图 5(b)中,Ru-MoxC NFs-4的Tafel斜率为51.3 mV ·dec-1,接近20%铂碳(39.5 mV ·dec-1),而低于Mo2C NFs(97.9 mV ·dec-1),证明其具有更高的反应速率。表 2列出了近年来报道的一些负载Ru碳化钼催化剂的性能,Ru-MoxC NFs-4的性能具有明显优势。

表 2 Ru-MoxC NFs和近期报道的Mo/Ru基催化剂在1.0 mol ·L-1 KOH中析氢性能的对比 Table 2 Comparison of the electrocatalytic activity of Ru-MoxC NFs catalyst with other Mo-based or Ru-based electrocatalysts for HER in 1.0 mol ·L-1 KOH
催化剂 载体 η10/mV η100/mV Tafel slope/(mV·dec-1) 参考文献
Ru-MoxC NFs Ni foam 49 127 51.3 本工作
Mo2C-MoNi4@NC Ni foam 107 NA 75.7 [21]
Mo2C P/Mo2C F Glassy carbon 96 NA 44.3 [22]
Ru@SGO Glassy carbon 96 NA 79.0 [23]
Ru@S/N/CNTs Glassy carbon 9 NA 37.0 [24]
Ru-G/CC Glassy carbon 40 NA 76.0 [25]
Ru/CNO Glassy carbon 46 NA 100 [26]

使用电化学阻抗谱(EIS)进一步研究了样品的电荷转移动力学特性。图 5(c)中,Ru-MoxC NFs-4的电荷转移电阻(Rct)为15.90 Ω,远低于Mo2C NFs(97.36 Ω)。通过非法拉第双层电容Cdl值来计算样品的电化学活性表面积(ECSA),如图 5(d),Ru-MoxC NFs-4的Cdl最大为9.29 mF ·cm-2。另外,通过计时电流法(i-t)以及CV循环测试了Ru-MoxC NFs-4的长期耐久性。从图 5(e)i-t结果可知,Ru-MoxC NFs-4在1.0 mol ·L-1 KOH中具有稳定的HER催化稳定性。在10 mA ·cm-2的电流密度下,10 h过后的性能仅衰减6.2%,而Mo2C NFs样品10 h时衰减了69.9%,Ru-MoxC NFs-4电催化稳定性的增强是由于Ru原子与Mo2C NFs之间的强相互作用。图 5(f)显示,经过i-t测试后,样品的LSV曲线变化很小,因此Ru-MoxC NFs-4具有优异的催化耐久性,且反应后催化剂的形貌也几乎没有变化。这表明均匀负载在Mo2C微球上的Ru和N掺杂Mo2C之间存在的较强相互作用有利于提升催化剂的长期催化稳定性。

3 结论

通过采用离子交换策略成功制备了电解水析氢催化剂Ru-MoxC NFs-4。这种由高分散金属/多相碳化物组成的催化剂Ru-MoxC NFs-4展示了优异的HER性能。在1.0 mol ·L-1KOH中,10 mA ·cm-2的电流密度下,Ru-MoxC NFs-4表现出49 mV的低过电位和51.3 mV ·dec-1的Tafel斜率;在更高的电流密度100 mA ·cm-2下,Ru-MoxC NFs-4同样表现出低的过电位,仅为127 mV,优于商业铂碳。同时,在10 mA ·cm-2的电流密度下运行10 h后,其性能仅衰减6.2%,表明具有良好的稳定性。所制备的催化剂具有价格低廉,贵金属质量活性高,性能稳定的优点,可广泛运用于碱性电解水制氢中。本研究通过掺杂高分散金属/多相碳化钼纳米结构和异质结构的合理构建,实现了催化剂晶体可控的相转变和HER性能提高,为相关领域研究提供了新的研究方向。

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