金属卟啉/多壁碳纳米管复合材料的电催化析氢反应

doi:10.7503/cjcu20240529

摘要/Abstract

摘要：

制备了过渡金属(Co, Cu, Mn, Ni, Fe)的5,10,15,20-四苯基卟啉(TPP) 配合物, 并通过非共价相互作用制得了金属卟啉/多壁碳纳米管(MTPP/MWCNTs)电催化析氢反应(HER)复合材料. 结果表明, 当金属卟啉的负载量(质量分数)为10%时, 复合材料CoTPP/MWCNTs的电催化析氢性能最佳. 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和X射线光电子能谱(XPS)结果显示, 金属卟啉与多壁碳纳米管之间存在较强的π-π相互作用. MTPP/ MWCNTs复合材料的催化活性顺序为Co＞Cu＞Mn＞Ni＞Fe. 其中, CoTPP/MWCNTs在电流密度为10 mA/cm²时的过电位为631 mV, 并且具有最小的Tafel斜率(161.3 mV/dec)和电荷转移电阻(10.3 Ω). 本文研究表明金属卟啉与多壁碳纳米管的非共价结合是构建复合材料电催化剂的一条有效途径.

关键词: 金属卟啉, 多壁碳纳米管, 非共价结合, 电催化, 析氢反应

Abstract:

In this paper， 5，10，15，20-tetraphenylporphyrin（TPP） complexes of transition metals（MTPP， M=Co， Cu， Mn， Ni， Fe） were prepared and the metalloporphyrin/multi-walled carbon nanotubes composites（MTPP/ MWCNTs） for electrocatalytic hydrogen evolution reaction（HER） were fabricated by non-covalent interactions. The results showed that the composite CoTPP/MWCNTs exhibited the best electrocatalytic HER performance when the loading amount（mass fraction） of metalloporphyrin was 10%. The ultraviolet-visible diffuse reflectance spectroscopy（UV-Vis DRS） and X-ray photoelectron spectroscopy（XPS） results showed that there are strong π-π interactions between the metalloporphyrin and the multi-walled carbon nanotubes. The catalytic activities of MTPP/MWCNTs follows the order of Co>Cu>Mn>Ni>Fe. Among them， the CoTPP/MWCNTs shows an overpotential of 631 mV at the current density of 10 mA/cm²， the smallest Tafel slope（161.3 mV/dec） and charge transfer resistance（10.3 Ω）， suggesting the utilization of the non-covalent combination of metalloporphyrin with multi-walled carbon nanotubes is an effective way to construct composite electrocatalysts.

Key words: Metalloporphyrin, Multi-walled carbon nanotubes, Noncovalent interaction, Electrocatalysis, Hydrogen evolution reaction

中图分类号:

O646.5

TrendMD:

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图/表 8

Fig.1 UV⁃Vis spectra of TPP, CoTPP, CuTPP, MnTPPCl, NiTPP, FeTPPCl(A) and UV⁃Vis DRS spectra of MWCNTs and CoTPP/MWCNTs(B)

Fig.2 LSV curves of CoTPP/MWCNTs with different mass fraction of CoTPP

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

Fig.4 SEM images of MWCNTs(A, B) and CoTPP/MWCNTs(C, D) with different magnifications

Fig.5 Raman spectra of MWCNTs and CoTPP/MWCNTs

Fig.6 LSV curves(A) and Tafel plots(B) of HER process for MWCNTs, CoTPP/MWCNTs, CuTPP/MWCNTs, MnTPPCl/MWCNTs, NiTPP/MWCNTs, FeTPPCl/MWCNTs in 0.5 mol/L H2SO4 aqueous solution

Fig.7 EIS curves of CoTPP/MWCNTs, CuTPP/MWCNTs, MnTPPCl/MWCNTs, NiTPP/MWCNTs and FeTPPCl/MWCNTs

Fig.8 LSV curves of CoTPP/MWCNTs before and after 1000 CV cycles

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