氧化石墨烯基钴卟啉复合材料的电催化析氢反应

doi:10.7503/cjcu20210549

摘要/Abstract

摘要：

制备了5,10,15,20-四(苯基)卟啉钴配合物(CoTPP), 并利用该配合物与氧化石墨烯(GO)的π?π堆积作用组装了CoTPP/GO电催化产氢复合材料. 研究发现, 当CoTPP与GO的质量比为1∶15时, 复合材料的性能最佳. 该材料的拉曼和扫描电子显微镜结果显示, 与GO相比, CoTPP/GO复合材料表面的无序程度增加, 形貌改变有利于促进反应体系的电荷迁移与分离; 交流阻抗测试结果显示, 阻抗值由GO的1180 Ω降低为CoTPP/GO材料的734 Ω; 电化学测试结果显示, 析氢起始过电位由-761 mV降低为-337 mV, 塔菲尔斜率由296 mV/dec 降低至174 mV/dec, 法拉第效率却由23%提高至87%. 加入二苯硫醚(SPh₂)轴向配体后, CoTPP(SPh₂)/GO材料的析氢起始过电位进一步降低至-235 mV, 塔菲尔斜率降低至163 mV/dec, 法拉第效率提高至94%. 研究结果表明, 通过氧化石墨烯与金属卟啉的非共价键自组装是构筑石墨烯基电催化产氢材料的一个有效途径.

关键词: 卟啉, 钴, 电催化析氢, 自组装, 氧化石墨烯

Abstract:

5，10，15，20-tetraphenyl porphyrin cobalt complex（CoTPP） was synthesized and used to prepare metalloporphyrin graphene oxide（GO） composite for electrocatalytic hydrogen evolutionreaction（HER）. The results indica-ted that when the mass ratio of CoTPP to GO is 1∶15， the performance of the composite is the best. The test of Raman and SEM revealed that the surface disorder of CoTPP/GO material was increased as compared to GO. This change is beneficial for the charge transfer of the HER. EIS test results showed the resistance of GO was reduced from 1180 Ω to 734 Ω of CoTPP/GO. The HER onset overpotential of material was reduced from -761 mV of GO to -337 mV of CoTPP/GO. Tafel slope was reduced from 296 mV/dec of GO to 174 mV/dec of CoTPP/GO， while the Faraday efficiency was increased from 23% to 87%. After adding diphenyl sulfide（SPh₂） axial ligand， the HER onset overpotential of CoTPP（SPh₂）/GO material was further reduced to -235 mV. Tafel slope was also reduced to 163 mV/dec and Faraday efficiency was increased to 94%. These results indicate that the self-assembly of graphene oxide and metalloporphyrin is an effective way to construct graphene-based metalloporphyrin electrocatalytic HER materials.

Key words: Porphyrin, Cobalt, Electrocatalytic hydrogen evolution, Self-assembly, Graphene oxide

中图分类号:

O646.54

TrendMD:

俞彬, 谌小燕, 赵越, 陈卫昌, 肖新颜, 刘海洋. 氧化石墨烯基钴卟啉复合材料的电催化析氢反应. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210549.

YU Bin, CHEN Xiaoyan, ZHAO Yue, CHEN Weichang, XIAO Xinyan, LIU Haiyang. Graphene Oxide-based Cobalt Porphyrin Composites for Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210549.

图/表 8

Fig.1 UV?Vis spectra of TPP, CoTPP, CoTPP(SPh2)(A) and UV?Vis DRS spectra of the GO, CoTPP/GO, CoTPP(SPh2)/GO(B)

Fig.2 LSV curves of different mass ratio of CoTPP and GO

Fig.3 XPS spectra of Co2p of CoTPP/GO(A) and CoTPP(SPh2)/GO(B)

Fig.4 SEM images of GO(A1, A2), CoTPP/GO(B1, B2) and CoTPP(SPh2)/GO(C1, C2) with different magnifications

Fig.5 Raman spectra of GO, CoTPP/GO and CoTPP(SPh2)/GO

Fig.6 Polarization curves(A) and Tafel plots(B) of HER process for GO, CoTPP, CoTPP(SPh2), CoTPP/GO, CoTPP(SPh2)/GO in 0.5 mol/L H2SO4 aqueous solution

Fig.7 EIS curves of GO, CoTPP/GO and CoTPP(SPh2)/GO

Fig.8 Stability curves(A) and gas chromatogram(B) of hydrogen by CoTPP(SPh2)/GO

参考文献 37

1	Qiu L.， Jiang L.， Ye Z.， Liu Y.， Cen T.， Peng X.， Yuan D.， Electrochim. Acta， 2019， 325， 134962—134970
2	Wu Y.， Rodriguez L. N.， Villagran D.， Chem. Sci.， 2018， 9（20）， 4689—4695
3	Hanna C. M.， Sanborn C. D.， Ardo S.， Yang J. Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（15）， 13211—13217
4	Groot M.T.， Koper M. T.， Phys.Chem. Chem. Phys.， 2008， 10（7）， 1023—1031
5	Han Y.， Fang H.， Jing H.， Sun H.， Lei H.， Lai W.， Cao R.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55（18）， 5457—5462
6	Zhang W.， Lai W. Z.， Cao R.， Chem. Rev.， 2017， 117（4）， 3717—3797
7	Wu Y.， Veleta J. M.， Tang D.， Price A. D.， Botez C. E.， Villagran D.， Dalton Trans.， 2018， 47（26）， 8801—8806
8	Bediako D. K.， Solis B. H.， Dogutan D. K.， Roubelakis M. M.， Maher A. G.， Lee C. H.， Chambers M. B.， Hammes S.， Nocera D. G.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA，2014， 111（42）， 15001—15006
9	Graham D. J.， Nocera D. G.， Organometallics， 2014， 33（18）， 4994—5001
10	Jiang J. B.， Kelly L. M.， Svante H.， Yang K. R.， Robert H. C.， Victor S. B.， Gary W. B.， Angew. Chem. Int. Ed.，2017， 56（31）， 9111—9115
11	Jiang J.， Materna K. L.， Hedstrom S.， Yang K. R.， Crabtree R. H.， Batista V. S.， Brudvig G. W.， Yi K.， Chen X.， Zhao Y.， Liu Y.， Wei D.， Adv. Electron. Mater.，2019， 5（10）， 1900447—1900453
12	Beyene B. B.， Yibeltal A. W.， Hung C. H.， Inorg. Chim. Acta， 2020， 513， 119929—119936
13	Charles G. M.， Naomi G. A.， Agnes E. T.， Cyrille C.， Daniel G. N.， ACS Catal.， 2021， 11（8）， 4561—4567
14	Chen D.， Feng H.， Li J.， Chem. Rev.， 2012， 112（11）， 6027—6053
15	Sakthinathan S.， Kubendhiran S.， Chen S. M.， Tamizhdurai P.， RSC Adv.， 2016， 6（61）， 56375—56383
16	Li H.， Li X.， Lei H.， Zhou G.， Zhang W.， Cao R.， ChemSusChem， 2019， 12（4）， 801—806
17	Maurin A.， Robert M.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（8）， 2492—2495
18	Xu Y. X.， Zhao L.， Bai H.， Hong W. J.， Li C.， Shi G. Q.， J. Am. Chem. Soc.， 2009， 131（37）， 13490—13497
19	Sakthinathan S.， Lee H. F.， Chen S. M.， Tamizhdurai P.， J. Colloid Interface Sci.， 2016， 468， 120—127
20	Kubendhiran S.， Sakthinathan S.， Chen S. M.， Tamizhdurai P.， Shanthi K.， Karuppiah C.， J. Colloid Interface Sci.， 2017， 497， 207—216
21	Joseph M.， Haridas S.， Int. J. Hydrog. Energy， 2020， 45（21）， 11954—11975
22	Wang A. J， Shen X. L， Wang Q.， Cheng L. X.， Zhu W. H， Shang D. H.， Song Y. L.， Dalton Trans.， 2021， 50， 7007—7016
23	Huang D.， Lu J.， Li S.， Luo Y.， Zhao C.， Hu B.， Wang M.， Shen Y.， Langmuir， 2014， 30（23）， 6990—6998
24	Ma J.， Liu L.， Chen Q.， Yang M.， Wang D.， Tong Z.， Chen Z.， Appl. Surf. Sci.， 2017， 399， 535—541
25	Seo S.， Lee K.， Min M.， Cho Y.， Kim M.， Lee H.， Nanoscale， 2017， 9（11）， 3969—3979
26	Chen L.， Sagar R. U. R.， Chen J.， Liu J.， Aslam S.， Anwar T.， Hussain N.， Hou X.， Liang T.， Int. J. Hydrog. Energy， 2021， 46（37）， 19338—19346
27	Das S. K.， Ghosh A.， Paul C. S.， Halder N.， Das B. B.， J. Med. Chem.， 2018， 61（3）， 804—817
28	Shen H. M.， Liu L.， Qi B.， Hu M. Y.， Ye H. L.， She Y. B.， Mol. Catal.， 2020， 493， 111102—111113
29	Wang J.， Huang X.， Xi S.， Xu H.， Wang X.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（43）， 19359—19359
30	Zheng Y.， Jiao Y.， Zhu Y.， Li L. H.， Han Y.， Chen Y.， Du A.， Jaroniec M.， Qiao S. Z.， Nat. Commun.， 2014， 5， 3783—3791
31	Luo Q.， Ge R.， Kang S. Z.， Qin L.， Li G.， Li X.， Appl. Surf. Sci.， 2018， 427， 15—23
32	Kathiresan V.， Thirumalai D.， Rajarathinam T.， Yeom M.， Lee J.， Kim S.， Yoon J. H.， Chang S. C.， J. Anal. Sci. Technol.， 2021， 12（5）， 1—10
33	Wu J. X.， Xu H.， Zhang J.， Acta Chim. Sinica，2014， 72（3）， 301—318（吴娟霞，徐华，张锦. 化学学报， 2014， 72（3）， 301—318）
34	Zhang L.， Xiao J.， Wang H.， Shao M.， ACS Catal.， 2017， 7（11）， 7855—7865
35	Mahmood J.， Li F.， Jung S. M.， Okyay M. S.， Ahmad I.， Kim S. J.， Park N.， Jeong H. Y.， Baek J. B.， Nat. Nanotechnol.， 2017， 12， 441—446
36	Ma J. F.， Liu Y. N.， Chem. J. Chinese Universities， 2011， 32（10）， 2371—2375（马金福，柳永宁. 高等学校化学学报， 2011， 32（10）， 2371—2375）
37	Zhuo M. N.， Li F.， Jiang H.， Chen Q. W.， Li P.， Wang L. Z.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（3）， 530—537（卓孟宁，李飞，蒋浩，陈倩文，李鹏，王立章. 高等学校化学学报， 2020， 41（3）， 530—537）

[1]	李琳, 齐丰莲, 邱丽莉, 孟子晖. 基于六边形磁纳米片构建动态非晶态光学结构图案[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220123.
[2]	王瑞娜, 孙瑞粉, 钟添华, 池毓务. 大尺寸石墨烯量子点组装体的制备及电化学发光性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220161.
[3]	韩付超, 李福进, 陈良, 贺磊义, 姜玉南, 徐守冬, 张鼎, 其鲁. CoSe₂/C复合电催化材料修饰隔膜对高载量锂硫电池性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220163.
[4]	韦春洪, 蒋倩, 王盼盼, 江成发, 刘岳峰. 贵金属Pt促进Co基费托合成催化剂的原子尺度结构分析[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220074.
[5]	仵宇帅, 尚颖旭, 蒋乔, 丁宝全. 可控自组装DNA折纸结构作为药物载体的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220179.
[6]	邱丽琪, 姚向阳, 何良年. 可见光驱动丰产金属卟啉类配合物催化的二氧化碳选择性还原反应[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220064.
[7]	胡波, 朱昊辰. 双层氧化石墨烯纳米体系中受限水的介电常数[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210614.
[8]	王雪丽, 宋相伟, 解颜宁, 杜妮阳, 王振新. 部分还原氧化石墨烯的制备、表征及对人宫颈癌HeLa细胞的体外杀伤作用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210595.
[9]	杨隽阁, 高成乾, 李博鑫, 尹德忠. 改性氧化石墨烯稳定Pickering乳液法制备高导热相变整体材料[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210593.
[10]	张志博, 尚涵, 徐文轩, 韩广东, 崔金声, 杨皓然, 李瑞鑫, 张生辉, 徐欢. 氧化石墨烯插层聚β-羟基丁酸酯复合材料的结晶形态与宏观性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210566.
[11]	何宇婧, 李佳乐, 王东洋, 王福玲, 肖作旭, 陈艳丽. 锌活化Fe/Co/N掺杂的生物质碳基高效氧还原催化剂[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220475.
[12]	侯从聪, 王惠颖, 李婷婷, 张志明, 常春蕊, 安立宝. N-CNTs/NiCo-LDH复合材料的制备及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220351.
[13]	杜顺福, 王文经, EL-SAYED El-Sayed M., 苏孔钊, 袁大强, 洪茂椿. 一种具有化学发光性能的锆基金属有机四面体[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210628.
[14]	李波, 孟禹汐, 王雯雯, 臧宏瑛. 多核多氧硫钼酸盐化合物的合成及质子传导性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210657.
[15]	朱德帅, 赵剑英, 杨正慧, 郭海泉, 高连勋. 基于多层结构设计的高储能密度氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2694.