镍/氮共掺杂自支撑泡沫碳电极的构建及电催化CO2还原性能

doi:10.7503/cjcu20240203

摘要/Abstract

摘要：

以沥青为碳源、聚氨酯泡沫为模板, 通过浸渍、固化和碳化等步骤制备了一系列镍/氮共掺杂自支撑泡沫碳电极, 采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、氮气吸附-脱附分析、拉曼光谱和X射线光电子能谱等手段对材料进行了表征. 结果表明, 制备的泡沫碳电极为三维大孔骨架结构, 表面具有缺陷位和Ni—N配位结构, 通过改变碳化温度可调控N含量, 进而实现对Ni—N _x 活性位含量的调控. 将该泡沫碳电极作为电还原CO₂的自支撑电极, 可得到H₂/CO摩尔比稳定可控的合成气. 在‒0.9~‒1.3 V(vs. RHE)电位窗口内, H₂/CO摩尔比可从1/2调整至2/1. 反应10 h后, 在900 ℃下得到的泡沫碳电极的电流密度为5.7 mA/cm², H₂/CO摩尔比约为1/1.

关键词: 电催化CO₂还原, 自支撑电极, 合成气, 泡沫碳

Abstract:

A series of nickel/nitrogen co-doped self-supported carbon foam electrodes were prepared by impregnation， curing and carbonization using asphalt as the carbon source and polyurethane foam as the template， and then characterized by scanning electron microscopy， transmission electron microscopy， N₂ adsorption-desorption analysis， Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. The results show that the prepared carbon foam electrodes possess a three-dimensional macroporous skeleton structure. Moreover， their surface is abundant in defect sites and Ni—N coordination structures. The content of N species can be regulated by varying the carbonization temperature， thereby enabling the regulation of the content of Ni—N _x active sites. The carbon foam electrodes were directly used as a self-supported electrode for the electroreduction of CO₂， and a syngas with a stable and controllable H₂/CO molar ratio could be obtained. The H₂/CO molar ratio can be tuned from 1/2 to 2/1 within the potential window of ‒0.9~‒1.3 V（vs. RHE）. In addition， the current density of the carbon foam electrode obtained at the carbonization temperature of 900 ℃ can be maintained at 5.7 mA/cm² after a sustained reaction for 10 h， and the H₂/CO molar ratio can be maintained at about 1/1.

Key words: Electrocatalytic CO₂ reduction, Self-supported electrode, Syngas, Carbon foam

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 6

Fig.1 Photograph of Ni/N⁃CF⁃900 samples with different sizes and shapes(A) and SEM images(B, C) and EDS mapping images(D—H) of Ni/N⁃CF⁃900

Fig.2 N2 adsorption⁃desorption isotherms(A), pore size distribution(B), XRD patterns(C) and Raman spectra(D) of Ni/N⁃CF⁃t samples

Fig.3 XPS survey spectrum(A) and high⁃resolution XPS spectra of C1s (B), N1s (C) and Ni2p (D) of Ni/N⁃CF⁃900

Fig.4 Percentage of different N species in Ni/N⁃CF⁃t samples

Fig.5 LSV curves of various samples at Ar(dotted line) or CO(solid line)⁃saturated 0.1 mol/L KHCO3 solution(A), dependence of H2/CO molar ratio with applied potential of Ni/N⁃CF catalysts(B), partial current density of CO(C) and H2(D) versus applied potential

Fig.6 CO(A) and H2(B) production rates of Ni/N⁃CF catalysts at different applied potentials, Tafel plots based on jCO for Ni/N⁃CF catalysts in the CO2⁃saturated 0.1 mol/L KHCO3 solution(C) and long⁃term stability test of Ni/N⁃CF⁃900 at -0.9 V(vs. RHE) for 10 h(D)

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镍/氮共掺杂自支撑泡沫碳电极的构建及电催化CO₂还原性能

Construction of Ni/N Co-doped Self-supported Carbon Foam Electrodes for Electrocatalytic CO₂ Reduction

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