基于Cu(II)Tricine配合物制备氧化铜薄膜及其电催化水氧化活性

高岩 陈虎 叶璐 路忠凯 姚亚男 魏宇 陈旭阳

引用本文: 高岩,  陈虎,  叶璐,  路忠凯,  姚亚男,  魏宇,  陈旭阳. 基于Cu(II)Tricine配合物制备氧化铜薄膜及其电催化水氧化活性[J]. 催化学报, 2018, 39(3): 479-486. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62892-4 shu
Citation:  Yan Gao,  Hu Chen,  Lu Ye,  Zhongkai Lu,  Yanan Yao,  Yu Wei,  Xuyang Chen. Highly effective electrochemical water oxidation by copper oxide film generated in situ from Cu(II) tricine complex[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(3): 479-486. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62892-4 shu

基于Cu(II)Tricine配合物制备氧化铜薄膜及其电催化水氧化活性

  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展计划(973计划,2014CB239402);国家自然科学基金(21573033);辽宁省重点实验室基础研究项目(LZ2015015).

摘要: 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1.0mmol/L Cu2+和2.0mmol/L Tris配体的磷酸缓冲溶液(0.2mol/L,pH=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O1sXPS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0.2mol/L的磷酸缓冲溶液(pH=12.0)中进行测试,从塔菲尔曲线中可以得出,该催化剂达到1.0mA/cm2的催化电流密度所需的过电位是395mV,塔菲尔斜率为46.7mV/decade.此外,在1.15 V vs.NHE的电位下,在10h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7.5mA/cm2,并且得到的法拉第效率为99%.

English

    1. [1] S. Chu, A. Majumdar, Nature, 2012, 488, 294-303.

    2. [2] D. G. Nocera, Acc. Chem. Res., 2012, 45, 767-776.

    3. [3] Y. Jiao, Y. Zheng, M. Jaroniec, S. Z. Qiao, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 2060-2086.

    4. [4] D. S. Kong, J. J. Cha, H. T. Wang, H. R. Lee, Y. Cui, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 3553-3558.

    5. [5] X. M. Li, X. G. Hao, A. Abudula, G. Q. Guan, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 11973-12000.

    6. [6] X. Liu, S. Inagaki, J. L. Gong, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14924-14950.

    7. [7] G. Zhang, G. Liu, L. Z. Wang, J. T. S. Irvine, Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 5951-5984.

    8. [8] M. T. M. Koper, J. Electroanal. Chem., 2011, 660, 254-260.

    9. [9] M. Gong, H. J. Dai, Nano Res., 2015, 8, 23-39.

    10. [10] H. Over, Chem. Rev., 2012, 112, 3356-3426.

    11. [11] Y. Lee, J. Suntivich, K. J. May, E. E. Perry, S. H. Yang, J. Phys. Chem. Lett., 2012, 3, 399-404.

    12. [12] Z. Liu, Y. Gao, Z. Yu, M. Zhang, J. H. Liu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1742-1749.

    13. [13] Y. Jiang, F. Li, F. Huang, B. B. Zhang, L. C. Sun, Chin. J. Catal., 2013, 34, 1489-1495.

    14. [14] J. J. Concepcion, J. W. Jurss, M. K. Brennaman, P. G. Hoertz, A. O. T. Patrocinio, N. Y. M. Iha, J. L. Templeton, T. J. Meyer, Acc. Chem. Res., 2009, 42, 1954-1965.

    15. [15] N. D. McDaniel, F. J. Coughlin, L. L. Tinker, S. Bernhard, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 210-217.

    16. [16] Y. Lattach, J. F. Rivera, T. Bamine, A. Deronzier, J. C. Moutet, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 12852-12859.

    17. [17] K. S. Joya, K. Takanabe, H. J. M. de Groot, Adv. Energy Mater., 2014, 4, 1400252.

    18. [18] H. Chen, Y. Gao, L. C. Sun, ChemCatChem, 2016, 8, 2757-2760.

    19. [19] S. A. Bonke, M. Wiechen, R. K. Hocking, X. Y. Fang, D. W. Lupton, D. R. MacFarlane, L. Spiccia, ChemSusChem, 2015, 8, 1394-1403.

    20. [20] H. Y. Chen, Z. J. Sun, X. Liu, A. L. Han, P. W. Du, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 8998-9004.

    21. [21] A. L. Han, H. T. Wu, Z. J. Sun, H. X. Jia, Z. P. Yan, H. Ma, X. Liu, P. W. Du, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 10929-10934.

    22. [22] M. W. Kanan, D. G. Nocera, Science, 2008, 321, 1072-1075.

    23. [23] J. H. Wang, W. Cui, Q. Liu, Z. C. Xing, A. M. Asiri, X. P. Sun, Adv. Mater., 2016, 28, 215-230.

    24. [24] X. X Yu, T. Y. Hua, X. Liu, Z. P. Yan, P. Xu, P. W. Du, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 15395-15402.

    25. [25] A. Singh, S. L. Y. Chang, R. K. Hocking, U. Bach, L. Spiccia, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 579-586.

    26. [26] K. S. Joya, Y. F. Joya, H. J. M. de Groot, Adv. Energy Mater., 2014, 4, 1301929.

    27. [27] M. Dincă, Y. Surendranath, D. G. Nocera, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2010, 107, 10337-10341.

    28. [28] C. Y. He, X. L. Wu, Z. Q. He, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 4578-4584.

    29. [29] X. Liu, H. X. Jia, Z. J. Sun, H. Y. Chen, P. Xu, P. W. Du, Electrochem. Commun., 2014, 46, 1-4.

    30. [30] S. S. Cui, X. Liu, Z. J. Sun, P. W. Du, ACS Sustainable Chem. Eng., 2016, 4, 2593-2600.

    31. [31] X. Liu, H. F. Zheng, Z. J. Sun, A. L. Han, P. W. Du, ACS Catal., 2015, 5, 1530-1538.

    32. [32] F. S. Yu, F. Li, B. B. Zhang, H. Li, L. C. Sun, ACS Catal., 2015, 5, 627-630.

    33. [33] C. Lu, J. Y. Wang, Z. F. Chen, ChemCatChem, 2016, 8, 2165-2170.

    34. [34] K. S. Joya, H. J. M. de Groot, ACS Catal., 2016, 6, 1768-1771.

    35. [35] J. L. Du, Z. F. Chen, S. R. Ye, B. J. Wiley, T. J. Meyer, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 2073-2078.

    36. [36] C. Lu, J. L. Du, X. J. Su, M. T. Zhang, X. X. Xu, T. J. Meyer, Z. Chen, ACS Catal., 2016, 6, 77-83.

    37. [37] H. Chen, Y. Gao, Z. K. Lu, L. Ye, L. C. Sun, Electrochim. Acta, 2017, 230, 501-507.

    38. [38] X. Q. Du, J. W. Huang, Y. Y. Feng, Y. Ding, Chin. J. Catal., 2016, 37, 123-134.

    39. [39] T. T. Li, S. Cao, C. Yang, Y. Chen, X. J. Lü, W. F. Fu, Inorg. Chem., 2015, 54, 3061-3067.

    40. [40] X. Liu, S. S. Cui, Z. J. Sun, Y. Ren, X. Y. Zhang, P. W. Du, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 831-840.

    41. [41] Y. Z. Wu, M. X. Chen, Y. Z. Han, H. X. Luo, X. J. Su, M. T. Zhang, X. H. Lin, J. L. Sun, L. Wang, L. Deng, W. Zhang, R. Cao, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 4870-4875.

    42. [42] F. Li, L. C. Bai, H. Li, Y. Wang, F. S. Yu, L. C. Sun, Chem. Commun., 2016, 52, 5753-5756.

    43. [43] D. R. Chowdhury, L. Spiccia, S. S. Amritphale, A. Paul, A. Singh, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 3655-3660.

    44. [44] M. Khan, J. Xiao, F. L. Zhou, M. Yablonskikh, D. R. MacFarlane, L. Spiccia, E. F. Aziz, ChemSusChem, 2015, 8, 1980-1985.

    45. [45] M. Huynh, D. K. Bediako, D. G. Nocera, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 6002-6010.

    46. [46] S. M. Barnett, K. I. Goldberg, J. M. Mayer, Nature Chem., 2012, 4, 498-502.

    47. [47] T. Zhang, C. Wang, S. B. Liu, J. L. Wang, W. B. Lin, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 273-281.

    48. [48] M. T. Zhang, Z. F. Chen, P. Kang, T. J. Meyer, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 2048-2051.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  2427
  • HTML全文浏览量:  53
文章相关
  • 收稿日期:  2017-10-28
  • 修回日期:  2017-11-20
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

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章