偶氮四唑钾盐的绿色电合成反应耦合WS2纳米片催化电解水制氢

doi:10.7503/cjcu20230347

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 20230347.doi: 10.7503/cjcu20230347

偶氮四唑钾盐的绿色电合成反应耦合WS₂纳米片催化电解水制氢

姚田浩, 马语和, 柳博龙, 马玉强, 张聪, 李嘉辰(), 马海霞()

西安市特种能源材料重点实验室, 西北大学化工学院, 西安 710069

收稿日期:2023-07-29 出版日期:2023-12-10 发布日期:2023-09-05
通讯作者: 马海霞 E-mail:lijiachen@nwu.edu.cn;mahx@nwu.edu.cn
作者简介:李嘉辰, 男, 博士, 副教授, 主要从事电催化水分解制氢催化剂、含能材料催化剂方面的研究. E-mail: lijiachen@nwu.edu.cn
基金资助:
陕西省科学技术厅重点科技创新团队(2022TD-33);国家大学生创新创业培训计划项目(202210697101)

Green Electrosynthesis Reaction of Potassium Azotetrazolium Salt Coupled by Hydrogen Production from Water Electrolysis by WS₂ Nano Sheets

YAO Tianhao, MA Yuhe, LIU Bolong, MA Yuqiang, ZHANG Cong, LI Jiachen(), MA Haixia()

Xi’an Key Laboratory of Special Energy Materials，School of Chemical Engineering，Northwest University，Xi’an 710069，China

Received:2023-07-29 Online:2023-12-10 Published:2023-09-05
Contact: MA Haixia E-mail:lijiachen@nwu.edu.cn;mahx@nwu.edu.cn
Supported by:
the Key Science and Technology Innovation Team of Shaanxi Provincial Science and Technology Department, China(2022TD-33);the National Innovation and Entrepreneurship Training Program for College Students, China(202210697101)

1. ESM to 20230347.pdf(296KB)

摘要/Abstract

摘要：

析氧反应(OER)作为动力学缓慢的四电子多步骤反应过程, 限制了电催化水分解制氢的反应速率, 降低了电催化水分解制氢的整体效率, 以热力学更有利的有机含能材料氧化反应替代OER与析氢反应(HER)耦合, 在降低槽压制得氢气的同时能得到高附加值的化工产品. 本文建立了一种新的耦合体系, 在阳极侧制备含能离子盐[偶氮四唑钾盐(K₂AZT)]的同时, 阴极侧以碳布负载的二硫化钨纳米片(CC@WS₂ NSs)作为HER催化剂促进H₂的形成. 该体系仅需要1.65 V的槽电压即可达到10 mA/cm ²的电流密度, 相比于CC@WS₂ NSs/CF全解水体系(1.87 V)降低了220 mV. 耦合体系在至少15 h内保持平稳运行, 表现出优异的稳定性能. 通过绿色安全的电化学法制备含能化合物避免了传统有机合成方法高能耗、高风险和高成本等问题, 为安全生产含能材料提供了新的合成策略.

关键词: 制氢, 绿色电合成, 含能材料, 过渡金属硫化物, 耦合体系

Abstract:

As a four-electron multi-step reaction process with sluggish kinetics， oxygen evolution reaction（OER） limits the reaction rate and reduces the overall efficiency of overall water splitting. Replacing OER with the oxidation reaction of thermodynamically more favorable organic energetic materials and coupling with hydrogen evolution reaction（HER）， so that the high value-added chemical products can be obtained while reducing the overall cell voltage to generate hydrogen. In this paper， a novel coupling system was proposed， in which the energy-containing ionic salt， potassium azotetrazolium salt（K₂AZT）， was prepared on the anode side， and carbon cloth-supported tungsten disulfide nanosheets（CC@WS₂ NSs） were used as HER catalyst to promote the HER on the cathode side. The system only requires a cell voltage of 1.65 V to achieve a current density of 10 mA/cm ²， which is 220 mV lower than that of conventional electrolyzed water（1.87 V）. In addition， the coupled system maintained smooth operation for at least 15 h， showing excellent stability. At the same time， the preparation of energetic compounds by green and safe electrochemical method avoids the problems of high energy consumption， high risk and high cost of traditional organic synthesis method， and provides a new synthesis strategy for the safe production of energetic materials.

Key words: Hydrogen production, Green electrosynthesis, Energetic material, Transition metal sulfide, Coupling system

中图分类号:

O643

TrendMD:

姚田浩, 马语和, 柳博龙, 马玉强, 张聪, 李嘉辰, 马海霞. 偶氮四唑钾盐的绿色电合成反应耦合WS₂纳米片催化电解水制氢. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 20230347.

YAO Tianhao, MA Yuhe, LIU Bolong, MA Yuqiang, ZHANG Cong, LI Jiachen, MA Haixia. Green Electrosynthesis Reaction of Potassium Azotetrazolium Salt Coupled by Hydrogen Production from Water Electrolysis by WS₂ Nano Sheets. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(12): 20230347.

图/表 8

Fig.1 XRD pattern of CC@WS2 NSs

Fig.2 Low(A) and high(B) resolution SEM images of CC@WS2 NSs

Fig.3 TEM(A, B), HRTEM(C), HAADF⁃STEM(D) images and elemental mapping of W(E), S(F) of CC@WS2 NSs

Fig.4 Survey(A)， W4f (B) and S2p (C) XPS spectra of CC@WS2 NSs

Fig.5 LSV(A) and Tafel(B) curves of CC@WS2 NSs, CV curves of CC@WS2 NSs with various scan rates(2.5, 5, 10, 25, 50, 100 mV/s)(C), Cdl date for the CC@WS2 NSs(D)

Fig.6 LSV curves of 5⁃AT oxidation coupling on CF electrode in 1 mol/L KOH+0.2 mol/L 5⁃AT solution with or without TEMPO(A) and isopropanol(B), schematic illustration of the oxidative⁃coupling of 5⁃AT into K2AZT mechanism on CF electrode(C), reaction equation of the oxidative⁃coupling of 5⁃AT into K2ZT(D)

Fig.7 LSV curves of different electrodes in 0.2 mol/L 5⁃AT concentration(A), LSV curves of CF electrode in different 5⁃AT concentration(B), schematic diagram of the H⁃type two⁃electrode coupling system using CC@WS2 NSs as the cathode and CF as the anode(C), LSV curves of electrosynthesis of K2AZT and overall water splitting in the coupling system(D), CP curve of the coupling system at -10 mA/cm 2(E), optical photos of the coupling system before and after reaction(F), cell voltage compared to previously reported water splitting electrocatalysts at a current density of 10 mA/cm 2(G)（G） a. This work； b. ONPPGC/OCC； c. CoS x @mOS2； d. Fe-N1Sas/NPC； e. NFe/NiCo2O4； f. CcS2/CC； g. NiCo2Se4； h. Two-tiered NiSe； i. Co3O4-250； j. CoFe2O4/SWNTs； k. Ni2P/MoO2@MoS2； l. Co-S/CP/CTs； m. DRPC/DRPC.

Fig.8 FTIR diagram of electrosynthesized K2AZT(A), 1H NMR(B) and 13C NMR(C) spectra of the coupling products(K2ATZ), TG⁃DTG(D) and DSC(E) curves of K2AZT at a heating rate of 10 ℃/min

参考文献 58

1	Qiu Y. L.， Zhou J.， Liu Z. Q.， Zhang X. Y.， Han H.， Ji X. Q.， Liu J. Q.， Appl. Surf. Sci.， 2022， 578， 152049
2	Lin J.， Peng Z. W.， Wang G.， Zakhidov D.， Larios E.， Yacaman M. J.， Tour J. M.， Adv. Eng. Mater.， 2014， 4， 1301875
3	Xie J. F.， Zhang J. J.， Li S.， Grote F.， Zhang X. D.， Zhang H.， Wang R. X.， Lei Y.， Pan B. C.， Xie Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（47）， 17881—17888
4	Lin L. X.， Sherrell P.， Liu Y. Q.， Lei W.， Zhang S. W.， Zhang H. J.， Wallace G. G.， Chen J.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10， 1903870
5	He Q. Y.， Wang L. L.， Yin K.， Luo S. L.， Nanoscale Res. Lett.， 2018， 13， 167
6	Li J. C.， Li Y.， Wang J. A.， Zhang C.， Ma H. J.， Zhu C. H.， Fan D. D.， Guo Z. Q.， Xu M.， Wang Y. Y.， Ma H. X.， Adv. Funct. Mater.， 2022， 32， 2109439
7	Wang C. X.， Song Z. Y.， Ni J. P.， Pan Z. W.， Huang G. Y.， Chem. Indus. Engin. Progr.， 2021， 40（10）， 5523—5534
8	Pan J.， Yu S. W.， Jing Z. W.， Zhou Q. T.， Dong Y. F.， Lou X. D.， Xia F.， Small. Struct.， 2021， 2（10）， 2100076
9	Tian L.， Li Z.， Song M.， Li J.， Nanoscale.， 2021， 13（28）， 12088—12101
10	Shang X.， Chi J. Q.， Lu S. S.， Dong B.， Li X.， Liu Y. R.， Yan K. L.， Gao W. K.， Chai Y. M.， Liu C. G.， Int. J. Hydrogen Energy， 2017， 42， 4165—4173
11	Shang X.， Yan K. L.， Liu Z. Z.， Lu S. S.， Dong B.， Chi J. Q.， Li X.， Liu Y. R.， Chai Y. M.， Liu C. G.， Appl. Surf. Sci.， 2017， 402， 120—128
12	Zhang X. Y.， Fei H.， Wu Z. Z.， Wang D. Z.， Tungsten， 2019， 1， 101—109
13	Sang L. X.， Ma M. N.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（6）， 20220768
	桑丽霞，马梦楠. 高等学校化学学报， 2023， 44（6）， 20220768
14	Jia B. Q.， Ye B.， Zhao W.， Xu F. F.， Huang F. Q.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（2）， 615—623
	贾并泉，叶斌，赵伟，许钫钫，黄富强. 高等学校化学学报， 2021， 42（2）， 615—623
15	Chen G. F.， Luo Y. R.， Ding L. X.， Wang H. H.， ACS Catal.， 2018， 8， 526—530
16	Brix A. C.， Morales D. M.， Braun M.， Jambrec D.， Junqueira J. R. C.， Cychy S.， Seisel S.， Masa J.， Muhler M.， Andronescu C.， Schuhmann W.， Chem. Electro. Chem.， 2021， 8， 2336—2342
17	Zhao B.， Liu J. W.， Xu C. Y.， Feng R. F.， Sui P. F.， Wang L.， Zhang J. J.， Luo J. L.， Fu X. Z.， Adv. Funct. Mater.， 2021， 31， 2008812
18	Yang L. J.， Yu Y.， Zhang L.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（6）， 20220082
	杨丽君，于洋，张蕾. 高等学校化学学报， 2022， 43（6）， 20220082
19	Du L.， Liu Z. Q.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（5）， 20220710
	杜磊，刘兆清. 高等学校化学学报， 2023， 44（5）， 20220710
20	Tong Y.， Cheng X. X.， ACS Sustain Chem. Eng.， 2023， 11， 8， 3219—3227
21	Hu H.， Yang H. W.， Cheng G. B.， Lu C. X.， Energ. Mater.， 2011， 19（3）， 269—271
22	Zhang Z. G.， Zhang J. G.， Zhang T. L.， Initiators & Pyrotechnics， 2000， 2， 5—8
	张志国，张建国，张同来. 火工品， 2000， 2， 5—8
23	Chang X. Y.， Wen M. J.， Zhang D.， Wang Y. J.， Chu Q. Z.， Zhu T.， Chen D. P.， Chin. J. Explo. Prop.， 2023， 46（5）， 361—377
	常晓雅，文明杰，张迪，王永锦，初庆钊，朱通，陈东平. 火炸药学报， 2023， 46（5）， 361—377
24	Huang J.， Du J. Y.， Wu B.， Wang J.， Yang L.， Zhou Y.， Dong F. Q.， Wu Y. T.， Li J.， Sun X.， Liu K.， Yang D. M.， He H. C.， Catal. Commun.， 2020， 136， 105923
25	Fu X. X.， Du J. Y.， Wu B.， Ke G. L.， Wang J.， Zhou Y.， Liu K.， Yang Y.， Yang Q.， Xiong B.， He H. C.， J. Electrochem. Soc.， 2020， 167， 065503
26	Yount J.， Zeller M.， Byrd E. F. C.， Piercey D. G.， Inorg. Chem.， 2021， 60（21）， 16204—16212
27	Li J. C.， Zhang C.， Zhang C.， Ma H. J.， Guo Z. Q.， Zhong C. L.， Xu M.， Wang X. J.， Wang Y. Y.， Ma H. X.， Qiu J. S.， Adv. Mater.， 2022， 34， 2203900
28	Wawzonek S.， McIntyre T. W.， J. Electrochem. Soc.， 1967， 114（10）， 1025—1029
29	Hiskey M. A.， Goldman N.， Stine J. R.， J. Energ. Mater.， 1998， 16（2/3）， 119—127
30	He H. C.， Du J. Y.， Wu B.， Duan X. H.， Zhou Y.， Ke G. L.， Huo T. T.， Ren Q.， Bian L.， Dong F. Q.， Green Chemistry. 2018， 20（16）， 3722—3726
31	Du J. M.， Qian Y. T.， Wang L.， Yang H.， Kang D. J.， Mater. Today Commun.， 2020， 25， 101585
32	Voiry D.， Chhowalla M.， Gogotsi Y.， Kotov N. A.， Li Y.， Penner R. M.， Schaak R. E.， Weiss P. S.， ACS Nano， 2018， 12（10）， 9635—9638
33	McCrory C. C. L.， Jung S. H.， Peters J. C.， Jaramillo T. F.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（45）， 16977—16987
34	Yang L. J.， Li H.， Yu Y.， Wu Y.， Zhang L.， Appl. Catal. B： Environ.， 2020， 271， 118939
35	Liu Q.， Li X. L.， Xiao Z. R.， Zhou Y.， Chen H. P.， Khalil A.， Xiang T.， Xu J. Q.， Chu W. S.， Wu X. J.， Yang J. L.， Wang C. M.， Xiong Y. J.， Jin C. H.， Ajayan P. M.， Song L.， Adv. Mater.， 2015， 27（33）， 4837—4844
36	Yao Y.， Dong W. B.， Zhao Z.， Cui H. A.， Liao G. L.， Colloid. Surf. A： Physicochem. Eng. Asp.， 2022， 649， 129533
37	Dong Z.， Wu X.， Chen M. Y.， Chen H. X.， Huang K. J.， Wang L. L.， Xu J.， Colloid. Interface Sci.， 2023， 630， 426—435
38	Liang Z. Q.， Yang S. R.， Wang X. Y.， Cui H. Z.， Wang X. Z.， Tian J.， Appl. Catal. B： Environ.， 2020， 274， 119114
39	Han H.， Yi F.， Choi S.， Kim J.， Kwon J.， Park K.， Song T.， J. Alloys Compd.， 2020， 846， 156350
40	Yang L. J.， Zhang L.， Appl. Catal. B： Environ.， 2019， 259， 118053
41	Wang B. F.， Sun Y. P.， Fan X. Y.， Chen W.， Liu X. Q.， Gao L.， Mao L. Q.， Appl. Surf. Sci.， 2023， 615， 156305
42	Mayorga⁃Martinez C. C.， Ambrosi A.， Eng A. Y. S.， Sofer Z.， Pumera M.， Adv. Funct. Mater.， 2015， 25， 5611—5616
43	Lukowski M. A.， Daniel A. S.， English C. R.， Meng F.， Forticaux A.， Hamers R. J.， Jin S.， Energ. Envirol. Sci.， 2014， 7， 2608
44	Kim H. U.， Kanade V.， Kim M.， Kim K. S.， An B. S.， Seok H.， Yoo H.， Chaney L. E.， Kim S. I.， Yang C. W.， Yeom G. Y.， Whang D.， Lee J. H.， Kim T.， Small（Weinheim an der Bergstrasse Germany）， 2020， 16， 1905000
45	Zhou Y. X.， Zhang W.， Zhang M. H.， Shen X. X.， Zhang Z. X.， Meng X. D.， Shen X. S.， Zeng X. H.， Zhou M.， Appl. Surf. Sci.， 2020， 527， 146847
46	Miao R.， Dutta B.， Sahoo S.， He J. K.， Zhong W.， Cetegen S. A.， Jiang T.， Alpay S. P.， Suib S. L.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（39）， 13604—13607
47	Kuang P. Y.， Tong T.， Fan K.， Yu J. G.， ACS Catalysis， 2017， 7（9）， 6179—6187
48	Anantharaj S.， Ede S. R.， Karthick K.， Sankar S. S.， Sangeetha K.， Karthik P. E.， Kundu S.， Energ. Environ. Sci.， 2018， 11（4）， 744—771
49	Feng W. S.， Pang W. B.， Xu Y.， Guo A. M.， Gao X. H.， Qiu X. Q.， Chen W.， ChemElectroChem， 2020， 7（1）， 31—54
50	Prasad A. K.， Mishra P. C.， Chem. Phy. Lett.， 2017， 684， 197—204
51	Serobatse K. R. N.， Kabanda M. M.， Comput. Theor. Chem.， 2016， 1101， 83—95
52	Harriman A.， Eur. J. Inorg. Chem.， 2014， 4， 537—580
53	Zhang L. J.， Rao T. U.， Wang J. Y.， Ren D. Z.， Sirisommboonchai S.， Choi C.， Machida H.， Huo Z. B.， Norinage K.， Fuel. Process. Technol.， 2022， 226， 107097
54	Wu Y. Y.， Li G. D.， Liu Y. P.， Yang L.， Lian X. R.， Asefa T.， Zou X. X.， Adv. Funct. Mater.， 2016， 26（27）， 4839—4847
55	Hammerl A.， Holl G.， Klapotke T. M.， Mayer P.， Noth H.， Piotrowski H.， Warchhold M.， Eur. J. Inorg. Chem.， 2002， 2002（4）， 834—845
56	Chen B.， Wang Q. L.， Ji Y. P.， Wang Y. L.， Wei L.， Liu B.， Liu W. X.， Ch. J. Energ. Mater.， 2014， 22（04）， 478—481
57	Wang Y.， Song X. L.， Li F. S.， Chin. J. Explo. Prop.， 2020， 43（4）， 392—398
	王毅，宋小兰，李风生. 火炸药学报， 2020， 43（4）， 392—398
58	Zhang X. G.， Zhu H.， Yang S. Q.， Zhang W.， Wang C. H.， Xu S. L.， Zhao F. Q.， Liu Z. R.， J. Solid Rocket. Technology， 2007， 3， 238—242

[1]	陈长利, 米万良, 李煜璟. 单原子催化材料在电化学氢循环应用中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(5): 20220065.
[2]	陈望松, 罗兰, 刘玉广, 周华, 孔祥贵, 栗振华, 段昊泓. 光电解水制氢耦合生物质醇/醛氧化的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210683.
[3]	李淑蓉, 王琳, 陈玉贞, 江海龙. 金属-有机框架材料在液相催化化学制氢中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210575.
[4]	吴启亮, 梅晋豪, 李铮, 范海东, 张彦威. 多种纳米结构Fe掺杂TiO₂光热耦合水分解制氢研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1837.
[5]	张楠, 韩阔, 李悦, 王春茹, 赵凤, 韩冬雪, 牛利. 尖晶石型过渡金属硫化物CuCo₂S₄与MoS₂复合材料的制备及电催化析氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(4): 1307.
[6]	桂晨, 王颢霖, 邵柏璇, 杨育景, 徐光青. 熔盐辅助法制备g-C₃N₄纳米结构及其光催化制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 827.
[7]	黄东雪, 章颖, 曾婷, 张媛媛, 万其进, 杨年俊. 基于过渡金属硫化物/还原氧化石墨烯复合物的高性能超级电容器[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 643.
[8]	肖兆忠, 马智, 朴玲钰. 不同半导体体系中磷化镍光催化甲酸分解的助催化作用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3692.
[9]	王乙舒, 李雪, 闫丽, 徐红赟, 祝玉鑫, 宋艳华, 崔言娟. 二维Z型BCN/Sn₃O₄复合材料的光催化还原性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3722.
[10]	孙亚光, 张含烟, 明涛, 徐宝彤, 高雨, 丁茯, 徐振和. ZnIn₂S₄/g-C₃N₄复合材料的制备及可见光催化制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3160.
[11]	祝玉鑫, 欧阳杰, 宋艳华, 唐盛, 崔言娟. 硼碘共掺杂氮化碳的制备及光解水制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(7): 1645.
[12]	罗威, 梁佑才, 胡志诚, 唐浩然, 刘孝诚, 邢晔彤, 黄飞. 新型亲水性共轭聚合物的制备及光催化制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(3): 456.
[13]	鲁礼林, 舒红飞, 阮祝华, 倪嘉琪, 张海军. 石墨烯负载Pt-Pd催化剂的制备、催化制氢性能及机理研究[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(5): 949.
[14]	张晶晶, 李莉, 郝玉婷, 孙雷雷, 张鑫悦. In₂O₃/ZrO₂-TiO₂空心球复合材料的制备与光解水制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(2): 238.
[15]	田毅, 李越湘, 彭绍琴. Y₂O₃负载金属Cu在催化甲醛水溶液制氢反应中的Y₂O₃载体效应[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(10): 1841.

偶氮四唑钾盐的绿色电合成反应耦合WS₂纳米片催化电解水制氢

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