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CO
2的过度排放导致全球变暖,加剧了温室效应
[1‒2]。在实现碳减排目标的同时,将CO
2转化为高附加值的化学品,是解决环境问题和能源紧缺问题的一个重要途径,具有环保和经济双重效益
[3]。CO
2电化学还原(CO
2RR)具有能量转化效率较高、选择性可控、反应装置可模块化等优点,且可产生一系列经济效益良好的化学品(如甲酸、甲醇、乙烯、乙醇等),因而受到广泛关注
[4]。其中,甲酸是最适宜规模化生产的化学品
[5],主要表现在:产甲酸仅为2e
‒转移,能耗较低
[6];其次,甲酸作为原材料可以被广泛应用(如可作为燃料电池的优良燃料
[7]);此外,甲酸是一种有前景的储氢介质,可储存质量分数为4.35%的氢
[8]。
CO
2RR产甲酸的性能主要依赖于催化剂
[9]。许多催化剂已被用于CO
2RR产甲酸,包括金属基催化剂
[10]、碳基催化剂
[11]和金属‒有机框架(MOFs)
[12]。在这些催化剂中,Pb、In、Sn等材料由于高氧亲和力和低氢亲和力对产甲酸表现出高选择性
[13],但毒性高、成本高限制了其应用范围
[14]。
地球上含量丰富的Bi金属因成本低、过电位低、甲酸选择性高且毒性低等优点被电化学还原领域深入研究
[15‒17]。叶片状Bi纳米片
[18]、Bi
2O
3@C纳米棒
[1]和Bi
2O
2CO
3纳米片
[19]催化剂已被用于CO
2RR产甲酸,并表现出较高的甲酸法拉第效率(
FE)和较好的甲酸产率,但这些催化剂的长期稳定性有待提高。此外,研究表明,活性组分Bi的形貌显著影响CO
2RR产甲酸的性能。Miao等
[20]合成了颗粒状的Bi
2O
3(Bi
2O
3-A)和纳米棒状的Bi
2O
3(Bi
2O
3-B)用于CO
2RR产甲酸;其中,Bi
2O
3-A有更小的Tafel斜率,更快的反应速率和更优异的电催化性能。
相比于金属载体,高比表面积、高导电性的碳材料可组装成多种尺寸和结构,能够改善Bi基电极CO
2RR产甲酸性能
[21‒22]。Gong等
[23]制备了以洋葱纳米碳为载体的Bi/MCNOs电极,电化学表面积是Bi电极的3.4倍,表现出比Bi纳米电极更高的电流密度,极大改善了CO
2RR催化活性。
3维中空纳米碳球(hollow carbon nanospheres,HCSs)独特的空心结构可以有效抑制纳米颗粒团聚,纳米级的壳厚度以及高比表面积可以加快电子传输,被认为是金属活性组分的理想载体,在电化学储能、催化和电化学传感等领域受到研究者们的广泛关注
[24‒25],但尚未见到在CO
2RR产甲酸中使用。
本文制备了中空纳米碳球负载氧化铋催化剂(Bi2O3@HCS)用于CO2RR产甲酸,研究Bi负载量、阴极电位、电解液的浓度及pH对CO2RR产甲酸性能的影响。研究结果可为合成高效Bi基纳米复合材料CO2RR产甲酸提供帮助。
1 材料和方法
1.1 材 料
四丙氧基硅烷(TPOS,分析纯)、氨水(分析纯)、间苯二酚(分析纯)、五水合硝酸铋(Bi(NO3)2·5H2O,分析纯)、无水乙醇(分析纯)、甲醛(分析纯)、NaOH(分析纯)均购自麦克林生化科技有限公司。Nafion溶液(质量分数为5%)由上海河森电气有限公司提供。CO2(纯度为99.999%)和Ar(纯度为99.999%)由德阳东诚气体有限公司提供。
1.2 催化剂制备
1.2.1 Bi2O3@HCS催化剂的制备
依次将2.8 mL的 TPOS(纯度为97%)、3.0 mL氨水(浓度为25%~28%)和10.0 mL超纯水加入到70.0 mL无水乙醇中,搅拌15 min后,在混合溶液中加入0.4 g间苯二酚、Bi(NO3)2·5H2O和0.56 mL甲醛溶液(质量分数为37%),继续搅拌24 h。之后分别用无水乙醇和超纯水进行抽滤各3次,得到的棕黄色固体粉末在60 ℃真空干燥箱中烘干。干燥后的固体在Ar气氛中高温煅烧4 h(800 ℃、900 ℃和1 000 ℃),升温速率为5 ℃/min,然后用NaOH溶液(10 mol/L)对煅烧后的样品进行24 h刻蚀,去除SiO2,最后用无水乙醇和超纯水洗涤并干燥,得到Bi2O3@HCS催化剂。Bi(NO3)2·5H2O负载量分别为0、1.0、2.0和3.0 mmol,制备得到的催化剂分别命名为HCS、Bi2O3@HCS-1、Bi2O3@HCS-2和Bi2O3@HCS-3。
1.2.2 碳载Bi2O3@HCS工作电极的制备
称取5 mg催化剂依次加入1.7 mL超纯水、0.2 mL Nafion溶液(质量分数为5%)和0.1 mL异丙醇(浓度为99.5%),对混合溶液超声30 min使其分散均匀,将混合溶液均匀涂覆在2.5 cm2碳布表面(1×2.5 cm2,双面滴加)并晾干。工作电极的催化剂负载量为2 mg/cm2。
1.3 分析测试仪器
CHI 760E型电化学工作站,上海辰华公司;Supra55型扫描电子显微镜(SEM),德国卡尔蔡司公司;Tecnai F20型透射电镜(TEM),美国FEI公司;D8 Advance X射线衍射仪(XRD),德国布鲁克公司;Thermo Scientific K-Alpha+ X射线光电子能谱仪(XPS),赛默飞(中国)科技有限公司;Agilent 5110型电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES),美国安捷伦科技有限公司。
1.4 电化学测试
在CHI 760E上进行CO
2RR电化学性能测试,采用三电极体系,分别以Pt片为对电极,饱和银/氯化银(Ag/AgCl)为参比电极,涂有催化剂的碳布为工作电极。在Nafion 117质子交换膜分离的“H”形密闭玻璃电解槽中,以KHCO
3作为电解液。测试过程中不断搅拌阴极室中的电解液,并将CO
2持续输送到阴极室中,反应时间为2 h
[26‒28]。线性扫描伏安法(LSV)曲线以5 mV/s的测试扫描速率记录在‒1.0~1.0 V vs. RHE的电位窗口。电化学阻抗谱(EIS)测试条件:测试开路电压为‒0.8 V vs. RHE,频率范围为1~106 Hz,振幅为5 mV。
1.5 产物分析
CO2RR结束后,用孔径为0.22 μm的滤膜过滤反应溶液;用离子色谱仪(ECO IC,瑞士万通)测定甲酸盐的浓度,流动相为NaCO3(4.5 mmol/L)和NaHCO3(0.8 mmol/L)的混合溶液,流速为1.0 mL/min。
甲酸法拉第效率计算如下:
式中:n为产物甲酸的物质的量,mol;F为法拉第常数,取值为96 485 C/mol;Q为通过电极的总电荷,C。
2 实验结果与讨论
2.1 Bi2O3@HCS催化剂结构表征
2.1.1 形貌分析
使用SEM和TEM分析催化剂的微观形貌和元素分布。
图1为不同催化剂的SEM图。由
图1可知,HCS呈现出表面光滑且规则的球形。Bi负载后,Bi
2O
3@HCS催化剂仍保持球形;当Bi负载量继续增加到3.0 mmol时,纳米球形貌发生轻微的变化。
图2为Bi
2O
3@HCS-2的元素分布图。由
图2可知,C、O和Bi元素均匀分散在催化剂上。
图3为不同催化剂的TEM图。由
图3可知,所制备的催化剂均呈现纳米空心球形;当Bi的负载量增加到2.0 mmol以上时,催化剂仍然保持球形,但碳层逐渐变薄,活性组分逐渐分散在碳球空腔内部,表明空心纳米碳球的空腔对Bi活性组分表现出良好的限域作用。
2.1.2 XRD分析
为了进一步揭示催化剂的晶体结构,对催化剂样品进行XRD分析,不同催化剂的XRD图谱如
图4所示。由
图4可知,所制备的催化剂均在衍射角(2
θ)为22.5°时出现明显的石墨碳的衍射峰
[29]。在Bi含量低(1.0 mmol)的Bi
2O
3@HCS-1催化剂中,仅出现了微弱的Bi
2O
3峰(JCPDS No.27-0050);随着Bi负载量的增加,不仅出现了较强的Bi
2O
3衍射峰,还出现了较弱的金属Bi
0衍射峰(JCPDS No.85-1329)
[28, 30],说明Bi
2O
3@HCS-2和Bi
2O
3@HCS-3催化剂中Bi以Bi
2O
3和Bi
0晶体形式共存。由Scherrer公式计算得到,活性组分的晶粒尺寸没有明显增大,Bi
2O
3@HCS-2和Bi
2O
3@HCS-3中Bi
2O
3晶粒尺寸约为11 nm,Bi
0晶粒尺寸约为1 nm。这主要是因为空心纳米碳球良好的限域作用有效抑制了Bi活性组分的团聚,确保了催化剂有较多的活性位点,与TEM结果一致。
2.1.3 XPS分析
利用XPS对催化剂表面组成和化合态进行分析,不同催化剂的高分辨率XPS能谱和不同催化剂的Bi含量分别如
图5和
表1所示。
由
图5可知,所制备的Bi
2O
3@HCS催化剂均由Bi、O、C这3种元素组成。在Bi 4f的XPS谱图中,159.9、165.3 eV附近出现的特征峰归属于Bi
3+,而在158.2、163.4 eV处的特征峰归属于Bi
0。由
图5(a)可知,在Bi
2O
3@HCS-1中仅存在Bi
3+的特征峰,说明该催化剂仅有Bi
2O
3;在Bi
2O
3@HCS-2和Bi
2O
3@HCS-3中,除了存在Bi
3+的特征峰外,还出现了归属于Bi
0的特征峰,表明Bi
2O
3与Bi
0同时存在,与XRD结果一致。
由
表1可知,Bi
2O
3@HCS-2具有最高的Bi
3+/Bi
0原子比(1.17),而Bi
2O
3@HCS-3中Bi
3+/Bi
0原子比(0.92)低于Bi
2O
3@HCS-2,可能是因为随着Bi负载量的增加,更多的Bi
2O
3得到电子转化成Bi
0。此外,随着Bi负载量的增加,催化剂整体Bi含量呈上升趋势(质量分数从18.22%提高到19.17%),但是Bi晶粒尺寸没有增加,这也说明活性组分Bi生长于空心碳球内部,从而抑制了活性组分的团聚,此结果与其他文献结果一致
[29,31]。O 1s谱图中,在531.8 eV和533.3 eV处有分别归因于C—O键和C
O键的特征峰,在529.9 eV出现了Bi—O的特征峰。从C 1s谱图中可以发现,3种催化剂均在284.8、285.5和288.5 eV出现了3个特征峰,分别对应C—C、C—O和C—O键
[32]。
2.2 Bi2O3@HCS催化剂电化学活性分析
在Ar和CO
2饱和的KHCO
3溶液中使用LSV曲线分析催化剂的CO
2RR电化学活性,结果如
图6所示。在CO
2气氛下,与Bi
2O
3@HCS-1相比,Bi
2O
3@HCS-2在‒0.60 V vs. RHE附近出现了明显的CO
2还原峰,并且具有更高的电流密度,表明Bi
2O
3@HCS-2催化剂更容易发生CO
2RR
[33],即Bi活性组分的增加有利于吸附和激活CO
2分子,从而提高电极活性
[23]。而与Bi
2O
3@HCS-2相比,Bi
2O
3@HCS-3虽然也在‒0.25 V vs. RHE附近出现了CO
2还原峰,但电流密度明显下降,这可能是由于Bi
3+/Bi
0原子含量比降低,导致催化剂的电子转移能力减弱。
不同催化剂的EIS曲线如
图7所示。
图7中,
Z'和
Z''分别为阻抗实部和虚部。由
图7可知,Bi
2O
3@HCS催化剂对应的EIS图均呈现半圆形,Bi
2O
3@HCS-2显示出比其他催化剂更小的半圆弧,表明适当的Bi负载有利于加快电极表面的电子转移
[34‒35]。
2.3 Bi2O3@HCS催化剂CO2RR甲酸产率的研究
2.3.1 Bi负载量对甲酸产率的影响
图8为不同Bi
2O
3@HCS催化剂的CO
2RR甲酸产率。由
图8可知,HCS载体表现出有限的甲酸产率,仅为6.09 μmol/L/h/cm
2;Bi负载后,甲酸产率明显提高。当Bi负载量从1 mmol增加到2 mmol时,甲酸产率从11.97 μmol/L/h/cm
2增加到82.31 μmol/L/h/cm
2,但进一步增加Bi负载量时(3 mmol),甲酸产率降低(54.64 μmol/L/h/cm
2)。
图8的结果表明,金属Bi是CO
2RR产甲酸的主要活性组分,Bi
2O
3的含量高有利于吸附和活化CO
2,同时Bi
0和Bi
2O
3在反应过程中可通过金属价态的转变提高电子转移能力,从而获得最高的甲酸产率;但是过量的Bi活性组分会逐渐生长在空心纳米碳球内部,空心纳米碳球的限域作用可以有效抑制活性组分的团聚,但是Bi
3+/Bi
0原子比降低,导致电子转移能力下降,故CO
2RR产甲酸速率降低。
2.3.2 阴极电位的影响
以Bi
2O
3@HCS-2工作电极为阴极,研究不同阴极电位条件下甲酸产率和
FE,结果如
图9所示。当阴极电位从‒0.8 V vs. RHE降低至‒1.1 V vs. RHE时,甲酸产率从82.31 μmol/L/h/cm
2提高到1 108.11 μmol/L/h/cm
2,
FE可达54.74%,表明Bi
2O
3@HCS-2在较低电位下CO
2RR反应速率良好。当进一步降低阴极电位,甲酸产率逐渐降低,这是因为析氢反应与CO
2RR发生电子竞争,并且析氢反应产生的H
2阻碍了CO
2的传质
[36]。
2.3.3 KHCO3电解液浓度的影响
图10为不同KHCO
3电解质浓度下Bi
2O
3@HCS-2催化剂CO
2RR的甲酸产率和
FE。由
图10可知,KHCO
3浓度对CO
2RR产甲酸速率有很大影响。KHCO
3浓度为0.1 mol/L时,甲酸产率达到最大值(1 108.11 μmol/L/h/cm
2),同时实现最高
FE(57.77%);当KHCO
3浓度较低(<0.1 mol/L)时,溶液中导电离子数减少,使得CO
2还原的甲酸产率和
FE降低;而当KHCO
3浓度较高(>0.1 mol/L)时,会导致电解液黏度增大,阻碍CO
2的扩散,并且过多的HCO
3‒离子吸附在电极表面,导致活性位点损失,从而限制了CO
2电化学还原的进行,降低了甲酸产率和
FE[37‒38]。
2.3.4 pH对甲酸产率的影响
CO
2RR产甲酸关键中间体的形成和转化受到电极/电解质界面处电解质性质的影响
[39‒40]。在反应过程中由于H
+不断被消耗,电极附近会出现高浓度的OH
‒,可能会促使CO
2转化为惰性碳酸盐。虽然KHCO
3具有一定的缓冲能力,但在反应中电极局部pH仍明显不同于本体电解质的pH
[41]。因此,选用pH缓冲溶液研究CO
2RR反应中pH值对甲酸产率的影响。
图11为不同pH缓冲溶液(5.0~8.0)中Bi
2O
3@HCS-2催化剂CO
2RR的甲酸产率和
FE。由
图11可知,在较宽的pH范围内甲酸产率和
FE并无很大变化。当pH从5.0升高至8.0时,产率仅从9.82 μmol/L/h/cm
2提高到40.40 μmol/L/h/cm
2,
FE仅从0.81%提高到4.91%,这表明制备的Bi
2O
3@HCS-2催化剂在CO
2RR产甲酸中具有较宽的pH工作范围
[42]。
2.4 稳定性分析
图12比较了本文Bi
2O
3@HCS-2催化剂与其他文献中催化剂CO
2RR的甲酸产率。由
图12可知,本文Bi
2O
3@HCS-2催化剂的甲酸产率高于文献报道的相关催化剂
[43‒47]。 为了考察Bi
2O
3@HCS-2催化剂CO
2RR产甲酸的稳定性,进行恒电位电解实验,循环反应中甲酸产率如
图13所示。结果表明,Bi
2O
3@HCS-2电极经过5次循环甲酸产率仍高达1 090.01 μmol/L/h/cm
2,表现出良好的稳定性。
3 结 论
本文将中空纳米球状Bi2O3@HCS催化剂用于CO2RR产甲酸,关键结论如下:
1)具有良好限域作用的中空纳米碳球抑制了Bi晶粒尺寸的增加,丰富的Bi2O3活性位点促进了CO2活化,同时Bi0与Bi2O3通过价态转变提高了电子转移能力,并且具有最高Bi3+/Bi0原子比的Bi2O3@HCS-2催化剂表现出最好的CO2RR产甲酸性能。
2)阴极电位、电解液浓度和pH均影响CO2电化学还原产甲酸性能。实验结果表明:“H”形反应器中,KHCO3电解液浓度为0.1 mol/L、反应点位为‒1.1 V vs. RHE和pH=6.8的条件下,Bi2O3@HCS-2催化剂CO2RR的甲酸产率达到1 108.11 μmol/L/h/cm2,FE为54.73%;经过5次循环,其甲酸产率仍高达1 090.01 μmol/L/h/cm2,证明Bi2O3@HCS-2催化剂具有良好的CO2电化学还原产甲酸性能。