1、第 5 1 卷 第 3 期2 0 2 3 年 2 月广 州 化 工G u a n g z h o u C h e m i c a l I n d u s t r yV o l.5 1 N o.3M a r.2 0 2 3C o N F 纳 米 线 的 制 备 及 其 电 解 水 性 能 综 合 实 验 设 计杜 晓 航,武 兰 兰,杨 振 涛(河 北 工 业 大 学 化 工 学 院,天 津 300 131)摘 要:基 于 实 验 教 学 理 念,为 创 新 教 学 实 验 内 容 以 及 培 养 学 生 的 实 践 能 力,本 文 设 计 了 一 个 包 括 碱 性 水 电 解 的 双 功 能
2、 催化 剂 的 制 备 及 电 解 水 性 能 研 究 的 综 合 实 验。首 先 利 用 水 热 法 制 备 了 C o N F 纳 米 线 催 化 剂,其 次 利 用 S E M、X R D 确 定 了 物 质 的 形貌 及 晶 相 结 构,通 过 X P S 分 析 了 材 料 的 元 素 及 其 价 态 信 息。最 后 分 别 在 三 电 极 和 两 电 极 体 系 中 测 定 了 C o N F 的 O E R、H E R 及 电解 水 的 催 化 活 性。关 键 词:电 解 水;钴 基 催 化 剂;泡 沫 镍;纳 米 线 中 图 分 类 号:O 6 9 文 献 标 志 码:B 文
3、章 编 号:1 0 0 1-9 6 7 7(2 0 2 3)0 3-0 2 5 9-0 4 第 一 作 者:杜 晓 航(1 9 9 1-),博 士,讲 师,主 要 从 事 电 催 化 相 关 材 料 与 技 术 研 究。C o m p r e h e n s i v e E x p e r i m e n t D e s i g n o f C o N F N a n o w i r e s S y n t h e s i sa n d I t s P e r f o r m a n c e f o r Wa t e r E l e c t r o l y s i sD U X i ao-ha
4、 ng,W U Lan-l an,Y A N G Z h e n-t ao(S c h o o l o f C he m i c a l E ng i n e e r i n g,H e be i U ni v e r s i t y o f T e c h no l o g y,T i a nj i n 3001 3 0,C hi na)A b s t r a c t:B a s e d o n t he c o nc e p t o f e x pe r i m e nt a l t e a c hi ng,i n o r de r t o i n no v a t e t he c o
5、nt e nt o f e x pe r i m e nt a l t e a c hi nga n d c u l t i v a t e s t u d e n t s pr a c t i c a l a b i l i t y,a c o m pr e he ns i v e e x pe r i m e nt w a s de s i g ne d o n t he p r e pa r a t i o n o f a bi f u nc t i o na lc a t a l y s t f o r a l ka l i n e hy dr o e l e c t r o l y
6、s i s a n d t he r e s e a r c h o n i t s w a t e r e l e c t r o l y s i s pe r f o r m a nc e.F i r s t l y,C o N F n a no w i r e sc a t a l y s t w a s pr e p a r e d b y h y dr o t he r m a l m e t h o d.S e c o ndl y,t he m o r pho l o g y a nd c r y s t a l s t r uc t u r e o f t he m a t e
7、r i a l w a sde t e r m i n e d b y S E M a n d X R D.T he e l e m e n t s a nd t h e i r v a l e nc e s t a t e i nf o r m a t i o n w e r e a na l y z e d by X P S.F i na l l y,t hec a t a l y t i c a c t i v i t i e s o f O E R,H E R a nd w a t e r e l e c t r o l y s i s o f C o N F w e r e de t
8、 e r m i ne d i n t hr e e-e l e c t r o de a nd t w o-e l e c t r o des y s t e m s,r e s p e c t i v e l y.K e y w o r d s:w a t e r e l e c t r o l y s i s;c o b a l t-ba s e d c a t a l y s t;ni c ke l f o a m;n a no w i r e s传 统 化 石 能 源 过 度 消 耗 带 来 一 系 列 的 环 境 问 题,发 展 高效、低 成 本 和 环 境 友 好 的 新 型 清
9、 洁 能 源 成 为 能 源 领 域 的 重 要 研究 课 题 之 一 1-3。氢 能 源 是 一 种 环 境 友 好 的 清 洁 能 源,电 解 水制 备 氢 气 过 程 中 只 产 生 氢 气 和 氧 气,没 有 其 他 污 染 物 产 生,被认 为 是 最 有 潜 力 的 制 氢 途 径 之 一 4。电 解 水 通 常 分 为 两 个 半 反 应,即 氧 析 出 反 应(O E R)和 氢 析出 反 应(H E R),常 温 下 反 应 过 程 的 动 力 学 缓 慢,需 要 提 供 高 于理 论 分 解 电 势 的 电 压 来 克 服 反 应 能 垒,由 此 造 成 了 电 能 的 浪
10、 费与 损 失 5。高 效 的 H E R 及 O E R 电 催 化 剂 可 以 降 低 反 应 能 垒,提 高 水 分 解 反 应 速 度,成 为 目 前 电 解 水 制 氢 领 域 的 研 究 热 点。目 前,贵 金 属 P t 是 电 解 水 H E R 最 有 效 的 电 催 化 剂,I r、R u 及其 氧 化 物 是 常 用 的 O E R 催 化 剂,但 它 们 的 稀 缺 性 和 高 成 本 限制 了 其 在 电 解 水 领 域 的 大 规 模 应 用 6。因 此,电 解 水 催 化 剂 的研 究 热 点 由 贵 金 属 材 料 转 向 非 贵 金 属 材 料,特 别 是 C
11、 o、N i、F e等 过 渡 金 属 材 料,被 证 明 具 有 优 异 的 H E R 和 O E R 性 能。在 电 解 水 的 基 础 研 究 层 面,人 们 对 电 催 化 的 反 应 机 理 有 了更 加 深 入 的 了 解,发 现 了 很 多 低 成 本、高 活 性、具 有 潜 在 应 用价 值 的 电 催 化 体 系,并 且 建 立 了 相 对 完 整 的 催 化 剂 制 备 及 活 性评 价 方 法 7。将 这 些 理 论 研 究 成 果 转 化 为 实 验 教 学 内 容 是 教 育时 代 的 使 命,不 仅 可 以 丰 富 学 生 的 科 学 知 识,提 高 其 科 学
12、素养,还 能 为 培 养 新 能 源 领 域 的 研 发 应 用 型 人 才 奠 定 基 础 8。1 实 验 原 理1.1 过 渡 金 属 催 化 机 理铁、钴、镍 等 过 渡 金 属、合 金 及 其 化 合 物 具 有 优 异 的 电 催化 性 能,这 类 材 料 的 催 化 主 要 归 功 于 表 面 丰 富 而 突 出 的 金 属 活性 位 点,换 言 之 就 是 得 益 于 材 料 表 面 过 渡 金 属 的 羟 基 化 结 构。需 要 注 意 的 是,除 金 属 外,非 金 属 组 成 部 分 同 样 能 起 到 一 定 的催 化 作 用,与 金 属 一 起 实 现 协 同 催 化。
13、1.2 水 热 合 成 法水 热 合 成 法 是 制 备 纳 米 材 料 的 常 用 方 法,其 操 作 简 单 方便,产 物 通 常 具 有 良 好 的 颗 粒 分 散 性、结 晶 度 高、形 貌 规 整 均匀。具 体 地,将 对 应 的 金 属 盐 溶 液 与 碱 液 均 匀 混 合 于 反 应 釜 等密 闭 空 间 内,利 用 高 温 高 压 条 件 发 生 化 学 反 应。在 该 方 法 中,反 应 过 程 中 温 度 的 变 化、升 温 速 度 的 快 慢 或 是 合 成 时 间 的 长 短都 会 对 最 终 产 物 的 形 貌 以 及 晶 型 等 产 生 影 响。1.3 电 化 学
14、 性 能 测 试 原 理1.3.1 过 电 势2 6 0 广 州 化 工 2 0 2 3 年 2 月H E R 起 始 电 位 为 极 化 曲 线 中 在 电 流 密 度 为 0.5 m A/c m2时对 应 的 电 位;过 电 势 是 在 特 定 电 流 密 度 下 的 电 位。O E R 的 过 电势 一 般 为 特 定 电 流 密 度 下 的 电 位 减 去 1.2 3 V。过 电 势 为 实 际 反应 偏 离 理 想 反 应 的 电 势 差 值,因 此 过 电 位 越 小 越 好。1.3.2 塔 菲 尔 斜 率T a f e l 斜 率 符 合 T a f e l 等 式=a+b l
15、o g j,其 中 是 过 电 势,j是 电 流 密 度,a 表 示 电 流 密 度 为 单 位 数 值(1 A/c m2)时 的 过 电位值,b 是 T a f e l 斜率。T a f e l 斜率是催化 剂的固有特 性,由析 氢/析 氧 速 率 限 制 步 骤 决 定。T a f e l 斜 率 的 单 位 一 般 是 m V/d e c-1,表 示 的 是 电 流 变 化 的 十 倍,T a f e l 斜 率 越 小 表 示 反 应 动 力 学 越快,催 化 剂 的 催 化 性 能 越 好。2 实 验2.1 实 验 试 剂实验中所 用的 试剂均 为分 析纯。六水 合硝酸钴(C o(N
16、 O3)26 H2O)、去 离 子 水、尿 素(C O(N H2)2)用 于 制 备 C o N F 纳 米线。氢 氧 化 钾(K O H)用 于 配 置 电 解 液 进 行 电 化 学 测 试。2.2 材 料 表 征催 化 剂 的 微 观 结 构 是 通 过 扫 描 电 子 显 微 镜(S E M,H i t a c h i,S-4 8 0 0)研 究 的。晶 体 结 构 是 通 过 X 射 线 衍 射 谱(X R D,B r u k e r,D 8 D i s c o v e r)研 究 的。催 化 剂 的 表 面 化 学 成 分 和 元 素 价态 通 过 X 射 线 光 电 子 能 谱(
17、X P S,T h e r m o F i s h e r S c i e n t i f i c,E S C A L A B 2 5 0 X i)进 行 了 表 征。2.3 C o N F 纳 米 线 的 制 备首 先,将 1.5 g C o(N O3)2 6 H2O 和 1.8 g C O(N H2)2溶 解到 6 0 m L 去 离 子 水 中 搅 拌 1 0 m i n。然 后,将 所 得 溶 液 转 移 到 含有 泡 沫 镍 的 高 压 釜 中,在 1 2 0 下 进 行 水 热 反 应 1 h、2 h、4 h。冷 却 后,将 样 品 用 水 和 乙 醇 洗 涤 3 次,然 后 在
18、6 0 下 干 燥,即 得 到 C o N F 纳 米 线 催 化 剂。2.4 析 氢 反 应 和 析 氧 反 应 测 试使 用 标 准 的 三 电 极 体 系 通 过 电 化 学 工 作 站 对 催 化 剂 的 电 催化 活 性 进 行 评 价,其 中 C o N F 纳 米 线 电 极 为 工 作 电 极,A g/A g C l 为 参 比 电 极,碳 棒 为 对 电 极,1 m o l/L 的 氢 氧 化 钾 为 电 解液。工 作 电 极 的 测 试 面 积(浸 入 面 积)为 1 c m2,在 5 m V s-1的 扫 速 下 测 试 电 极 的 线 性 伏 安 曲 线(L S V)并
19、 计 算 T a f e l 曲 线。所有 的 电 极 电 位 都 转 换 成 为 标 准 氢 电 极 电 位(R H E),其 转 换 公 式为 E(v s.R H E)=E(v s.A g/A g C l)+0.1 9 9+0.0 5 9 p H。0.0 1 1 0 0 0 0 0 H z 的 频 率 范 围 内 测 试 电 极 的 电 化 学 阻 抗 谱(E I S),催 化剂 的 稳 定 性 通 过 计 时 安 培 法 得 到 的 i-t 曲 线 来 评 价。2.5 全 解 水 测 试全 解 水 性 能 测 试 采 用 两 电 极 体 系,正 负 极 均 采 用 C o N F电 极,
20、电 解 液 采 用 1 m o l/L 的 氢 氧 化 钾 溶 液,测 试 L S V。稳 定性 通 过 计 时 安 培 法 得 到 的 i-t 曲 线 来 评 价。3 实 验 结 果 与 数 据 处 理3.1 材 料 的 物 性 表 征通 过 S E M 表 征 得 到 催 化 材 料 的 形 貌。如 图 1(a)图 1(c)为 1 h、2 h 和 4 h 水 热 合 成 时 间 制 备 的 C o N F 的 S E M 图 像,从 图 1 中 可 以 观 察 到,不 同 水 热 时 间 的 C o N F 自 支 撑 电 极 中均 生 长 出 了 均 匀 排 列 的 C o 纳 米 线
21、阵 列,且 大 部 分 纳 米 线 为 垂直生长。随着 水热 时 间 的 延 长,纳 米 线 的 长 度 变 长。从 图 1(d)C o N F 2 h 的 S E M 元 素 分 布 图 中 可 以 看 出,N i、C o、O 元 素 均匀 分 布 于 样 品 中,其 中 O 元 素 是 催 化 剂 在 环 境 中 的 氧 化 造 成的。图 1 C o N F 1 h(a),C o N F 2 h(b)以 及(c)C o N F 4 h的 S E M 图,C o N F 2 h 的 元 素 分 布 图(d)F i g.1 S E M i m a g e s o f C o N F 1 h(a
22、),C o N F 2 h(b)a n dC o N F 4 h(c),S E M e l e m e n t m a p p i n g o f C o N F 2 h(d)为 了 确 定 所 合 成 材 料 的 晶 相 结 构,进 行 了 X R D 表 征。图 2(a)是 C o N F 在 2 h 水 热 条 件 下 的 X R D 图 谱,通 过 与 标 准 卡 片 对比 可 以 观 察 到 很 强 的 单 质 镍 的 特 征 衍 射 峰(标 准 卡 片 号 8 7-0 7 1 2),说 明 合 成 的 样 品 原 位 生 长 于 泡 沫 镍 上。此 外 X R D 图 谱中 未 显
23、 示 出 C o 的 特 征 峰,可 能 是 由 于 C o 含 量 较 低 或 者/以 及C o 单 质 的 特 征 峰 与 N i 接 近,而 被 N i 更 强 的 特 征 峰 掩 盖 导 致的。图 2 C o N F 2 h 的 X R D 图 谱(a);C o N F 2 h 的O 1 s(b),N i 2 p(c),C o 2 p(d)谱 图F i g.2 X R D p a t t e r n o f C o N F 2 h(a),X P S s p e c t r a o fC o N F 2 h f o r O 1 s(b),N i 2 p(c)a n d C o 2 p(d
24、)为 了 研 究 C o N F 2 h 的 表 面 元 素 价 态,进 行 了 X P S 测 试。图 2(b)显 示 了 C o N F 的 O 1 s 谱 图,可 裂 解 为 3 个 特 征 峰,分别 对 应 于 M-O 键,M-O H 键 和 表 面 吸 附 分 子 水 中 的 氧。由 图 2(c)可 以 看 出,在 N i 2 p 谱 图 中,结 合 能 8 7 4.4 e V 和 8 5 5.6 8 e V 处 的峰 分 别 对 应 N i 2 p1/2和 N i 2 p3/2,自 旋 双 峰 的 出 现 表 明 在 C o N F 纳米 线中 存 在 N i2+。另 外,结合 能
25、为 8 7 9.3 8 e V 和 8 6 2.3 4 e V处 的 双 峰 是 N i2+相 应 的 卫 星 峰(标 记 为 S a t.)。图 2(d)给 出 了C o 2 p 谱,其 中 结 合 能 为 7 9 7.1 e V 和 7 8 1.2 e V 的 双 峰 分 别 对 应于 C o2+的 C o 2 p1/2和 C o 2 p3/2的衍 射峰,而 8 0 3.0 e V 和 7 8 6.1 e V第 5 1 卷 第 3 期 杜 晓 航,等:C o N F 纳 米 线 的 制 备 及 其 电 解 水 性 能 综 合 实 验 设 计 2 6 1 处 的 峰 为 其 对 应 的 特
26、征 卫 星 峰,除 此 以 外,一 个 C o3+的 特 征 峰可 以 被 发 现。X P S 图 谱 证 实 了 C o N F 纳 米 线 中 C o 可 能 以C o(O H)2的 形 式 存 在。3.2 电 催 化 性 能 表 征接 下 来 在 室 温 下,通 过 三 电 极 体 系 测 定 了 不 同 水 热 合 成 时间 下 催 化 剂 C o N F 在 1 M K O H 溶 液 中 的 H E R 和 O E R 活 性,所 有 测 试 均 未 经 过 i R 校 正。为 了 考 察 催 化 剂 的 H E R 活 性,本实 验 使 用 了 贵 金 属 催 化 剂 P t/C
27、(2 0 w t%)作 为 参 考。图 3(a)为不 同 催 化 剂 的 L S V 极 化 曲 线,图 3(b)是 相 应 的 T a f e l 斜 率。从极 化 曲 线 上 看,在 电 流 密 度 为 1 0 m A/c m-2时,P t/C 的 过 电 位最 小 为 3 7.8 m V,T a f e l 斜 率 为 4 8 m V/d e c-1;而 C o N F 2 h 对H E R 的 过 电 位 为 2 3 7 m V,虽 然 高 于 P t/C 的 过 电 位,但 明 显 低于 C o N F 1 h(2 9 4 m V)和 C o N F 4 h(3 2 0 m V),且
28、 C o N F 2 h的 T a f e l 斜率为 2 2 5 m V/d e c-1,也明显 低于 C o N F 1 h(2 7 2 m V/d e c-1)和 C o N F 4 h(3 4 5 m V/d e c-1)。因 此 在 不 同 水 热 时 间 的样 品 中,C o N F 2 h 具 有 较 高 的 H E R 催 化 活 性。图 3(c)是 基于 催 化 剂 在 非 法 拉 第 电 压 范 围 内 进 行 不 同 扫 速 的 循 环 伏 安 测 试结 果 所 得 到 的 电 流 密 度 差 值 拟 合 图,可 以 看 到 C o N F 在 水 热时 间 为 1 h、
29、2 h、4 h 时 其 双 层 电 容 Cd l值 分 别 为 0.9 4 m F/c m2、1.3 8 m F/c m2和 0.9 1 m F/c m2,表 明 C o N F 2 h 具 有 较 大 的 催化 活 性 面 积,在 催 化 过 程 中 能 提 供 更 多 的 活 性 位 点 数 量,从 而加 速 H+的 吸 附 以 及 H2的 释 放 速 率,促 进 H E R 过 程。为 了 进 一步 探 索 催 化 剂 的 电 荷 转 移 动 力 学,我 们 进 行 了 电 化 学 阻 抗 谱(E I S)测 量。图 3(d)给 出 了 典 型 奈 奎 斯 特 曲 线 以 及 等 效 电
30、 路 拟合 图,从 中 可 以 看 出,C o N F 2 h 具 有 较 小 的 奈 奎 斯 特 曲 线 半径 以 及 电 荷 转 移 阻 抗,表 明 其 电 子 转 移 能 力 远 高 于 C o N F 1 h和 C o N F 4 h。图 3 催 化 剂 在 1 M K O H 溶 液 中 的 H E R 活 性,P t/C、C o N F 1 h、C o N F 2 h、C o N F 4 h 的 L S V 图(a)和 相 应 的塔 菲 尔 斜 率 图(b),C o N F 1 h、C o N F 2 h、C o N F 4 h 的 Cd l图(c)和 电 化 学 阻 抗 曲 线(
31、d)F i g.3 H E R p e r f o r m a n c e o f d i f f e r e n t c a t a l y s t s i n 1 M K O H,L S V c u r v e s(a)a n d t h e c o r r e s p o n d i n g T a f e l s l o p e s(b)o fP t/C、C o N F 1 h,C o N F 2 h a n d C o N F 4 h;Cd lv a l u e so f C o N F 1 h,C o N F 2 h a n d C o N F 4 h(c);c o r r e s
32、 p o n d i n gE I S i m p e d a n c e d i a g r a m(d)紧 接 着 在 1 M K O H 中 评 估 了 C o N F 的 O E R 催 化 活 性,并使 用 了 商 业 I r/C 作 为 参 考 催 化 剂。从 图 4(a)的 L S V 极 化 曲 线中 可 以 看 出,在 电 流 密 度 为 1 0 m A/c m-2时,C o N F 2 h 的 过电 位 为 接 近 于 I r/C 的 过 电 位。从 图 4(b)可 以 看 出 C o N F 2 h的 T a f e l 斜 率(1 2 2 m V/d e c-1)虽 然
33、 高 于 商 业 I r/C(1 0 9 m V/d e c-1),但 是 明 显 低 于 C o N F 1 h(1 4 7 m V/d e c-1)和 C o N F 4 h(1 9 5 m V/d e c-1),说 明 C o N F 2 h 具 有 较 为 优 异 的 O E R 动 力学。图 4(c)双 电 层 电 容 的 测 试 结 果 显 示 C o N F 2 h 催 化 剂 的Cd l值 为 2 8 3.4 9 m F/c m2,远 高 于 C o N F 1 h(3 1.4 8 m F/c m2)和C o N F 4 h(1 0 0.2 5 m F/c m2),证 明 了
34、C o N F 2 h 具 有 较 大 的催 化 比 表 面 积,能 够 提 供 大 量 的 催 化 活 性 位 点。从 图 4(d)的电 化 学 阻 抗 曲 线 可 以 看 出,C o N F 2 h 在 O E R 测 试 中 仍 然 具有 较 小 的 电 荷 转 移 阻 抗,有 利 于 电 子 的 转 移 和 O E R 反 应 的 发生。图 4 催 化 剂 在 1 M K O H 溶 液 中 的 O E R 活 性,I r/C、C o N F 1 h、C o N F 2 h、C o N F 4 h 的 L S V 图(a)和 相 应 的塔 菲 尔 斜 率 图(b);C o N F 1
35、h、C o N F 2 h、C o N F 4 h 的 Cd l图(c)和 电 化 学 阻 抗 曲 线(d)F i g.4 O E R p e r f o r m a n c e o f d i f f e r e n t c a t a l y s t s i n 1 M K O H,L S V c u r v e s(a)a n d t h e c o r r e s p o n d i n g T a f e l s l o p e s(b)o fI r/C、C o N F 1 h,C o N F 2 h a n d C o N F 4 h,Cd lv a l u e so f(c)C
36、o N F 1 h,C o N F 2 h a n d C o N F 4 h,c o r r e s p o n d i n gE I S i m p e d a n c e d i a g r a m(d)以 上 实 验 表 明,C o N F 2 h 是 一 种 有 效 的 双 功 能 电 催 化剂,在 1 M K O H 溶 液 中 的 H E R 和 O E R 都 具 有 较 高 的 活 性。因此,C o N F 2 h 可 以 同 时 作 为 双 电 极 电 解 水 体 系 的 阴 极 和 阳极,用 于 产 生 氢 气 和 氧 气,如 图 5(a)所 示。商 业 P t/C|I
37、r/C被 作 为 参 考 催 化 剂。由 图 5(b)的 L S V 曲 线 以 及 图 5(c)的 电 位对 比 图 可 以 看 出,C o N F 2 h|C o N F 2 h 具 有 良 好 的 水 分 解性 能,在 电 流 密 度 为 1 0 m A/c m2时,C o N F 2 h|C o N F 2 h的 电 池 电 压 为 1.6 7 V,非 常 接 近 于 商 业 P t/C|I r/C 体 系 的1.6 6 V。同 时 我 们 还 考 察 了 C o N F 2 h|C o N F 2 h 在 1 MK O H 溶 液 中 的 长 期 耐 久 性,如 图 5(d)所 示,
38、在 连 续 电 解 2 4 h后,电 流 密 度 的 衰 减 可 以 忽 略 不 计,说 明 C o N F 2 h 电 催 化 剂具 有 良 好 的 长 期 耐 久 性,具 有 商 业 应 用 价 值。2 6 2 广 州 化 工 2 0 2 3 年 2 月图 5 双 电 极 电 解 水 系 统 示 意 图(a),C o N F 2 h|C o N F 2 h 和 P t/C|I r/C 的 L S V 极 化 曲 线(b)以 及 在 电 流密 度 为 1 0 m A/c m2的 电 势(c),C o N F 2 h|C o N F 2 h在 1 M K O H 溶 液 中 的 稳 定 性 测
39、 试(d)F i g.5 S c h e m a t i c d i a g r a m o f w a t e r e l e c t r o l y s i s b y d u a le l e c t r o d e s(a),L S V c u r v e s(b)a n d a p p l i e d p o t e n t i a l s a t1 0 m A/c m2f o r C o N F 2 h|C o N F 2 h a n d P t/C|I r/C(c),s t a b i l i t y t e s t o f C o N F 2 h|C o N F 2 h i n
40、 1 M K O H s o l u t i o n(d)4 结 语我 们 探 索 了 一 种 改 进 的 C o N F 2 h 纳 米 线 双 功 能 电 解 水 催化 剂,用 于 1 M K O H 的 整 体 水 裂 解。C o N F 2 h 表 现 出 优 良 的H E R 和 O E R 活 性,并 且 具 有 较 低 的 电 荷 转 移 阻 力 和 较 大 的 比表 面 积,可 以 暴 露 出 较 多 的 催 化 位 点。在 双 电 极 电 解 水 体 系中,C o N F 2 h 仅 需 要 1.6 7 V 的 电 池 电 压 即 可 达 到 1 0 m A/c m-2的 电
41、 流 密 度,与 商 业 P t/C|I r/C 体 系 相 当(1.6 6 V),且在 连 续 电 解 试 验 中 性 能 衰 减 可 忽 略 不 计。本 实 验 是 面 向 本 科 生的 一 项 综 合 性 创 新 实 验,由 本 科 生 参 与 包 括 文 献 调 研、材 料 合成、性 能 表 征、数 据 处 理 与 分 析 的 全 套 过 程。该 综 合 性 实 验 的开 展 不 仅 丰 富 了 学 生 的 科 学 知 识,提 高 其 科 学 素 养,也 为 其 将来 从 事 相 关 的 科 学 研 究 工 作 奠 定 了 基 础。参 考 文 献 1 W A N G J,C U I W
42、,L I U Q,e t a l.R e c e n t P r o g r e s s i n C o b a l t B a s e dH e t e r o g e n e o u s C a t a l y s t s F o r E l e c t r o c h e m i c a l W a t e r S p l i t t i n g J.A d v a n c e d M a t e r i a l s,2 0 1 6,2 8(2):2 1 5-2 3 0.2 Z O U X,Z H A N G Y.N o b l e M e t a l-F r e e H y d r o
43、 g e n E v o l u t i o n C a t a l y s t s f o rW a t e r S p l i t t i n g J.C h e m i c a l S o c i e t y R e v i e w s,2 0 1 5,4 4(1 5):5 1 4 8-5 1 8 0.3 宋 树 芹,王 毅,王 昆.溶 剂 热 法 制 备 P t/C 催 化 剂 及 其 电 催 化 氧 还原 反 应 活 性 研 究 的 综 合 实 验 设 计 J.中 国 现 代 教 育 装 备,2 0 2 0(2 3):2 3-2 6.4 周 炎,王 兆 杰,刘 大 鹏,等.自 支 撑
44、 电 极 材 料 的 制 备 及 其 电 解 水 性能 实 验 设 计 J.化 学 教 育(中 英 文),2 0 1 7,3 8(2 4):2 2-2 7.5 游 诚 航,王 向 辉.化 学 综 合 实 验 教 学 方 案 的 探 索 与 设 计:碳 纳 米 片的 制 备 及 其 氧 还 原 性 能 J.广 东 化 工,2 0 1 8,4 5(6):2 3 1-2 3 3.6 W A N G J,X U F,J I N H,e t a l.N o n-n o b l e m e t a l-b a s e d c a r b o nc o m p o s i t e s i n h y d r
45、 o g e n e v o l u t i o n r e a c t i o n:F u n d a m e n t a l s t o a p p l i c a t i o n s J.A d v M a t e r,2 0 1 7,2 9(1 4):1 6 0 5 8 3 8.7 K I M J,K I M B,K I M H,e t a l.R e c e n t p r o g r e s s o n m u l t i m e t a l o x i d ec a t a l y s t s f o r t h e o x y g e n e v o l u t i o n r
46、 e a c t i o n J.A d v E n e r g y M a t e r,2 0 1 8,8(1 1):1 7 0 2 7 7 4.8 P U Z O N G H U A,L I U Q I A N,A S I R I A B D U L L A H M,e t a l.3 D m a c r o p o r o u sM o S2t h i n f i l m:i n s i t u h y d r o t h e r m a l p r e p a r a t i o n a n d a p p l i c a t i o n a s ah i g h l y a c t
47、i v e h y d r o g e n e v o l u t i o n e l e c t r o c a t a l y s t a t a l l p H v a l u e s J.E l e c t r o c h i m i c a A c t a,2 0 1 5,1 6 8:1 3 3-1 3 8.(上 接 第 2 4 7 页)6 张 华,郑 建 东,丁 中 建,等.应 用 型 本 科 院 校 化 工 仪 表 及 自 动 化 教 学 改 革 与 实 践 J.山 东 化 工,2 0 1 9,4 8(1 7):1 7 8-1 7 9.7 潘 秀 清.化 工 仪 表 及 自 动
48、化 课 程 渗 透 工 匠 精 神 的 教 学 改 革 J.化 工 管 理,2 0 1 9(1 6):1 6-1 7.8 蒲 长 永.化 工 仪 表 与 自 动 控 制 理 论 和 实 验 教 学 改 革 的 探 索 J.化 工 设 计 通 讯,2 0 1 9,4 5(5):1 9 9,2 0 8.9 李 建,郭 红 宇,孙 希 明.安 全 控 制 实 验 在 工 艺 类 化 工 专 业 实 验 中 的探 索 与 实 践 J.化 工 高 等 教 育,2 0 1 8,3 5(4):7 3-7 6,8 1.1 0 朱 佳 龙.新 工 科 背 景 下 化 工 仪 表 及 自 动 化 课 程 改 革 与 实 践 J.石化 技 术,2 0 1 9,2 6(1 2):1 2 5,1 4 4.1 1 尤 玉 静,王 家 荣,张 皓 荐,等.聚 焦“复 杂 工 程 问 题”的 化 工 分 离 工程 课 程 的 教 学 设 计、构 建 及 实 施 J.广 东 化 工,2 0 2 0,4 7(2 2):1 2 5-1 2 6.
