水熱法制備La2O3微球及其電催化產(chǎn)氧性能研究

俞娟 李兵 潘申成 趙璐璐 紀(jì)玉田 江鴻飛 石昕

摘?要：采用水熱反應(yīng)法，以硝酸鑭、尿素和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為原料，制備形貌均勻的La2O3微球材料.掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行形貌和結(jié)構(gòu)表征，對(duì)樣品進(jìn)行電催化析氧活性測(cè)試.結(jié)果表明，合成樣品物相單一，形貌均勻，具有球狀結(jié)構(gòu)，其直徑約為1微米.電催化測(cè)試表明，在電流密度為10 mA/cm2時(shí)，其析氧過電位為420 mV，塔菲爾斜率為119 mV/dec，具有較好的電催化活性.

關(guān)鍵詞：溶劑熱反應(yīng)法;PVP;氧化鑭;析氧反應(yīng)

[中圖分類號(hào)]O 646 ???[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Hydrothermal Synthesis of La2O3 microsphere and itsOxygen Evolution Reaction Performance

YU Juan，LI Bing，PAN Shencheng，ZHAO Lulu，JI Yutian，JIANG Hongfei，SHI Xin，LI Bing

（School of Physics and Electronic Information，Huaibei Normal University，Huaibei 235000， China）

Abstract：La2O3 microspheres with a diameter of about 1 μm have been prepared by hydrothermal method with lanthanum nitrate， urea and polyvinylpyrrolidone as raw materials. The X-ray diffractometer and scanning electron microscopy were used to characterize the structure and morphology of samples. The oxygen evolution reaction （OER） activity of this sample was tested in 1M KOH. The synthesized La2O3 microspheres showed a low overpotential of 420 mV at the current density of 10mA/cm2 and the corresponding Tafel slope was 119 mV/dec.

Key words：hydrothermal method;PVP;lanthanum oxide;oxygen evolution reaction （OER）

隨著全球能源需求量的急劇上升以及環(huán)境破壞的加劇，傳統(tǒng)能源日漸枯竭，尋找新的可再生清潔能源成為解決這些問題的首要途徑.[1]目前可利用的二次能源有很多，其中氫能源由于其獨(dú)一無二的優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前景的二次能源.[2]堿性水電解法是目前生產(chǎn)高純氫的主要途徑.析氧反應(yīng)（OER）是電解水的陽(yáng)極反應(yīng)，最早作為析氧反應(yīng)的陽(yáng)極材料都是一些貴金屬材料[3]，以提高OER過程的能量轉(zhuǎn)換效率.[4]但由于貴金屬昂貴的價(jià)格和較少的儲(chǔ)存量，限制了其大規(guī)模使用.因此，尋找低成本、高活性以及儲(chǔ)存量較多的析氧催化劑是當(dāng)前的首要問題.過渡族金屬元素以及鑭系金屬氧化鑭由于其儲(chǔ)存量高、價(jià)格便宜受到關(guān)注，逐漸成為貴金屬催化劑的有效替代物.[5]筆者嘗試用水熱法制備氧化鑭微球，并對(duì)其電化學(xué)活性進(jìn)行研究.[6]結(jié)果表明，所得樣品形貌均勻，顆粒大小約為1微米.電催化活性測(cè)試表明，在電流密度為10 mA/cm2時(shí)，其析氧過電位為420 mV，塔菲爾斜率為119 mV/dec.該方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景.[7]

1?實(shí)驗(yàn)部分

1.1?材料的制備

分別準(zhǔn)確稱量硝酸鑭0.303 g，尿素1 g，PVP 0.4 g，依次放入反應(yīng)釜內(nèi)膽中.用量筒稱取40 ml去離子水， 轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜內(nèi)膽之中，然后在磁力攪拌器上攪拌30 min使其形成均勻的溶液.將反應(yīng)釜內(nèi)膽裝入釜中密封，放進(jìn)鼓風(fēng)干燥箱中，反應(yīng)溫度為200 ℃，反應(yīng)時(shí)間為12 h.反應(yīng)結(jié)束后，倒掉反應(yīng)釜內(nèi)膽中的上清液，離心采集沉淀物，對(duì)收集的沉淀物分別用水和酒精清洗離心3次.把處理好的產(chǎn)物放在真空干燥箱中，60 ℃干燥6 h.干燥結(jié)束后，得到目標(biāo)產(chǎn)物的前驅(qū)物.把前驅(qū)物放在管式爐里350 ℃ 煅燒 2 h，得到最終產(chǎn)物.

1.2?材料的表征

采用X射線衍射（XRD， PANalytical X′pert， Cu Kα， λ=1.54056 ）對(duì)制備得的氧化鑭La2O3材料進(jìn)行物相分析，利用掃描電子顯微鏡（SEM， JSM-6610L， Hitachi）觀察樣品的微觀形貌和結(jié)構(gòu)特征.

1.3?電化學(xué)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)樣品在配備三電極體系的上海辰華電化學(xué)工作站（CHI 760E）上進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試. Pt片電極作為對(duì)電極，Ag/AgCl電極為參比電極，負(fù)載La2O3的泡沫鎳作為工作電極.電解液為1.0 mol/L的KOH溶液，測(cè)試在室溫下進(jìn)行.工作電極的制備：首先對(duì)泡沫鎳進(jìn)行預(yù)處理，把泡沫鎳剪成1 cm*2 cm，置入3 M稀鹽酸中浸泡1小時(shí)后取出.置入去離子水和無水乙醇中分別超聲5 min，取出自然晾干.稱量2 mg樣品，與85 μL去離子水、60 μL無水乙醇和5 μL Nafion溶液混合，超聲60分鐘使其分散均勻.使用移液槍取出混合液均勻涂在預(yù)處理好的泡沫鎳上（涂抹面積為1 cm*1 cm），置于真空干燥箱中待其干燥后即可取出進(jìn)行測(cè)試.實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)伏安測(cè)試（CV），測(cè)試電勢(shì)范圍為0～0.1 V （vs Ag/AgCl），掃描速度為5， 10， 20， 50， 80， 100 mV/s，線性掃描伏安法（LSV）測(cè)試，電勢(shì)范圍為0～0.8 V （vs Ag/AgCl），掃描速度為5 mV/s;交流阻抗（EIS）施加電壓為0.5 V，頻率為105～0.01 Hz. [8]電化學(xué)穩(wěn)定性用CV曲線循環(huán)前后LSV曲線對(duì)比圖表征.

2?結(jié)果與分析

2.1?XRD圖譜分析

標(biāo)準(zhǔn)卡片（PDF：05-0602）相比，兩者保持一致，其主要特征峰分布在2θ為 26.11°，29.13°，29.96°， 39.52°，46.084°，46.084°，53.716°，55.439°處，分別對(duì)應(yīng)的晶面為（100） （002）（101）（102）（110）（103）（200），如圖1中標(biāo)注所示.與標(biāo)準(zhǔn)卡片相比，特征峰位置幾乎與標(biāo)準(zhǔn)卡片一致，基本沒有偏移，譜峰尖銳，結(jié)晶度較高，沒有其他多余的雜峰，證明實(shí)驗(yàn)樣品純度較高.[9]

2.2?SEM分析

圖2 （a）-（d）為前驅(qū)物的SEM圖片.從圖2中可以看出，樣品呈現(xiàn)球狀形貌，大約1 μm，分布均勻，大小基本相同.圖3為煅燒后所得氧化鑭納米微球的SEM圖片.從圖3中可以看出，形貌與尺寸沒有發(fā)生改變，與前驅(qū)物基本保持一致.從XRD和SEM可以看出，水熱法制備的氧化鑭納米微球結(jié)晶度較好，尺寸均勻，形貌單一.

2.3?電化學(xué)性能分析

在1 mol/L的KOH溶液中對(duì)氧化鑭納米微球樣品進(jìn)行OER性能測(cè)試.圖4（a）為氧化鑭納米微球的線性掃描伏安曲線圖.從起始曲線可以看出，在電流密度為10 mA/cm2時(shí)，其析氧過電位為420 mV，相比于傳統(tǒng)貴金屬催化劑的析氧過電位略有升高，表明如何制備出比表面積大、能夠提供多活性位點(diǎn)的催化劑只是第一步，后續(xù)如何控制形貌的同時(shí)提升電催化活性是工作的關(guān)鍵.為了驗(yàn)證材料的穩(wěn)定性，記錄樣品經(jīng)過2 000次循環(huán)伏安測(cè)試之后的LSV曲線.測(cè)試結(jié)果表明，催化活性沒有大幅度下降，樣品仍然保持良好的電催化性能，穩(wěn)定性較好.由于合成氧化鑭納米微球過程簡(jiǎn)單，試劑較少，可以有相對(duì)較高的電催化活性，對(duì)于替代傳統(tǒng)貴金屬催化劑也有著重要意義.圖4（b）為樣品的塔菲爾斜率.塔菲爾斜率也是表征電催化活性的標(biāo)準(zhǔn)之一，和過電位、穩(wěn)態(tài)電流密度有關(guān).一般來說，塔菲爾斜率越低，電催化性能越好.如圖4（b）所示，目標(biāo)產(chǎn)物的塔菲爾斜率為119 mVdec-1. [10]

對(duì)氧化鑭納米微球樣品進(jìn)行EIS測(cè)試.如圖4（a）所示，圓弧的存在是電極反應(yīng)受電化學(xué)控制的特征.在圖的前半部分，半圓的半徑代表著催化劑電子轉(zhuǎn)移的電阻，其中與電催化析氧過程之中質(zhì)荷轉(zhuǎn)移相關(guān)的是低頻區(qū)，而高頻區(qū)代表著催化劑表面孔隙度.在圖4（a）中可以明顯看出， 樣品氧化鑭的阻抗比空白泡沫鎳小，說明在產(chǎn)氧過程中電子轉(zhuǎn)移所受阻力較小，氧化鑭納米微球可以像泡沫鎳一樣成為電催化劑的有效載體.圖4（b）為負(fù)載樣品電極的陽(yáng)極電流密度與陰極電流密度的差值（ΔJ）與掃描速度的函數(shù)關(guān)系，曲線近似為一條直線，其斜率的一半即雙電層電容（Cdl）， 由計(jì)算可知，氧化鑭電極的雙電層電容為2.35 μF/cm2.

3?結(jié)論

筆者采用水熱反應(yīng)法，以硝酸鑭、尿素和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為原料，制備形貌均勻的La2O3微球材料，合成方法簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，為新型電催化材料的合成提供了一種新的思路.XRD測(cè)試表明，前驅(qū)物經(jīng)煅燒處理后得到物相單一的氧化鑭顆粒.由掃描電鏡圖片可知，所得氧化鑭較好的保持了前驅(qū)物的球狀相貌，未發(fā)生明顯變化.電催化析氧測(cè)試結(jié)果表明，在電流密度為10 mA/cm2時(shí)，其析氧過電位為420 mV，菲爾斜率為119 mV/dec，與空白泡沫鎳相比，有明顯提升，說明樣品具有較高的電催化活性.該材料在經(jīng)歷2 000個(gè)循環(huán)后依然保持較好的催化活性和較小的電荷轉(zhuǎn)移電阻.

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編輯：琳莉