多孔碳纳米纤维负载铜铂合金催化剂的制备及电催化析氢性能

doi:10.7503/cjcu20240042

摘要/Abstract

摘要：

通过静电纺丝和分阶段热处理方法, 在多孔碳纳米纤维(PCNFs)上制备了一系列不同合金比例的PtCu纳米合金催化剂, 研究了合金颗粒表面形貌和Cu-Pt-Cu结构对析氢反应(HER)的影响. 结果表明， PtCu添加摩尔比为1∶2时可获得最佳析氢性能, 在酸性条件下电流密度为10 mA/cm²时，过电位为37 mV, 拥有良好的长期稳定性. 研究结果为PCNFs负载过渡金属与Pt的二元合金纳米催化剂的制备提供了一种新的方法.

关键词: 静电纺丝, 多孔碳纤维, 铜铂合金, 析氢反应

Abstract:

In this investigation， a series of PtCu nano-alloy catalysts with varying alloy ratios were prepared on porous carbon nanofibers（PCNFs） using electrostatic spinning and staged heat treatment methods. The effect of the geometrical morphology of the alloy particles and the Cu-Pt-Cu structure on the hydrogen evolution efficiency was discovered. The study determined that the most effective hydrogen evolution performance was achieved using a PtCu additive molar ratio of 1∶2 under acidic conditions， resulting in an overpotential of 37 mV at 10 mA/cm² and exhibiting robust long-term stability. This research presents an innovative approach for producing binary alloy nanocatalysts of PCNFs impregnated with transition metals and Pt.

Key words: Electrospinning, Porous carbon nanofibers, PtCu alloy, Hydrogen evolution reaction

中图分类号:

O643

TrendMD:

陈鑫, 刘婧媛, 于静. 多孔碳纳米纤维负载铜铂合金催化剂的制备及电催化析氢性能. 高等学校化学学报, 2024, 45(6): 20240042.

CHEN Xin, LIU Jingyuan, YU Jing. Preparation of Porous Carbon Nanofiber Loaded Copper-platinum Alloy Catalysts and Their Electrocatalytic Hydrogen Evolution Performance. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(6): 20240042.

图/表 10

Fig.1 SEM images of electrostatically spun fibers(A—C), pre⁃oxidized fibers(D—F) and PtCu/PCNFs⁃1:2(G—I)

Fig.2 TEM image(A), HAADF⁃STEM images(B, C), EDS elemental mappings of C(D), Cu(E) and Pt(F) of PtCu/PCNFs⁃1:2

Fig.3 Crystallite spacing of the Pt⁃Cu⁃Pt structure(A) and specific surface area(B) of PCNFs and PtCu/PCNFs⁃1:2

Fig.4 STEM images(A—D) and PtCu alloy particle size distribution statistics(E—H) of PtCu/ PCNFs⁃1:1(A, E), PtCu/PCNFs⁃1:2(B, F), PtCu/PCNFs⁃1:3(C, G) and PtCu/PCNFs⁃1:4(D, H)

Fig.5 XRD patterns of PtCu/PCNFs

Fig.6 Pt4f XPS spectra of PtCu/PCNFs⁃1:1(A), PtCu/PCNFs⁃1:2(B), PtCu/PCNFs⁃1:3(C) and PtCu/PCNFs⁃1:4(D)

Fig.7 IR⁃corrected LSV curves(A), Tafel curves(B), Nyquist curves(C), Cdlcurves(D) and TOF(E), stability test at 20 mA/cm2(F) of PtCu/PCNFs⁃1:2 in 0.5 mol/L H2SO4（C） Inset： equivalent circuit diagram.

Fig.8 XPS spectrum of PtCu/PCNFs⁃1:2 after electrocatalytic test

Fig.9 TEM image(A), HRTEM image(B), HAADF⁃STEM image(C) and EDS elemental mappings of C(D), Cu(E) and Pt(F) of PtCu/PCNFs⁃1:2 after electrocatalytic test

Fig.10 IR⁃corrected LSV curves(A), overpotentials at 10 and 50 mA/cm2(B), Nyquist curves(C), Cdl curves(D), TOF(E), LSV curves(F) before and after undergoing 2000 cycles of CV of PtCu/PCNFs⁃1:2 in 1 mol/L KOH（B） a. PCNFs； b. PtCu/PCNFs-1∶1； c. PtCu/PCNFs-1∶2； d. PtCu/PCNFs-1∶3； e. PtCu/PCNFs-1∶4； f. Pt/C.（C） Inset： equivalent circuit diagram.

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