新型Co3O4納米顆粒/氮摻雜碳複合材料:優異析氧反應催化活性

2021-01-21 nanomicroletters

圖1：a）T-ZIF-67, b) T-Co3O4/NPC, d)M-ZIF-67, e) M-Co3O4/NPC, g) H-ZIF-67,  h)H-Co3O4/NPC的SEM圖像.c)T-Co3O4/NPC, f) M-Co3O4/NPC, i) H-Co3O4/NPC的元素映射。

圖1a顯示T-ZIF-67為菱形十二面體形態，圖1b顯示M-ZIF-67形貌為花狀顆粒，圖1g和h顯示H-ZIF-67是空心的球形，直徑為800nm，殼厚200nm。在550℃下裂解5 h後，三種ZIF-67複合材料均為前驅體的形貌，沒有粒子群或結構倒塌，表明所得到的Co3O4/NPC複合材料具有高結構穩定性。圖1b顯示在碳材料中，T-ZIF-67表面縮水成均勻嵌入Co3O4納米粒子的菱形十二面體中心。為了確定複合材料的元素組成，進行元素映射分析。如圖1c、f、i和表S1所示，所有這三種複合材料主要由鈷和氧組成，含有微量的碳和氮。


圖2：a–c) M-Co3O4/NPC ,d–f) H-Co3O4/NPC複合材料的TEM圖像


圖像顯示：圖2進一步探究ZIF-67熱解產生的氮摻雜碳支架封裝在Co3O4納米粒子的原位。Co3O4納米粒子吸附在M-Co3O4/NPC和H-Co3O4/NPC複合材料上，高分辨透射電鏡圖像中的晶格距離與Co3O4納米粒子的（311）晶面間距匹配

圖3：a) M-ZIF-67，b) H-ZIF-67的製備示意圖


圖像顯示：圖3為ZIF-67傳統合成過程的示意圖。使用CoSO47H2O作為金屬源，硫酸根離子加速ZIF-67成核，導致多個多面體相互嵌入，直到花狀的ZIF-67粒子形成。PVP作為模板，在甲醇中溶解，2-甲基咪唑通過氫鍵與PVP分子鏈結合。配體與模板之間的這種相互作用迫使zif-67沿鏈增長，導致片狀zif-67，然後堆在一起形成一個空心球。


圖4：T-Co3O4/NPC, M-Co3O4/NPC和H-Co3O4/NPC複合材料的PXRD譜圖


圖4所示：除了衍射強度的差異外，三種複合材料的XRD圖譜相同。強烈的衍射使結晶度更高，M-Co3O4/NPC的結構是無序的。


圖5：M-ZIF-67, H-ZIF-67和T-ZIF-67的a)氮吸附-解吸等溫線，b)孔隙大小分布；T-Co3O4/NPC, M-Co3O4/NPC和H-Co3O4/NPC複合材料的c)氮吸附-解吸等溫線，d)孔隙大小分布。


圖像顯示：圖5a中M-ZIF-67,H-ZIF-67和T-ZIF-67的氮氣吸附脫附等溫線符合LangmuirI，M-ZIF-67的N2吸附數量在一個相對較低的壓力急劇增加，表明花狀顆粒有微孔，此外，在等溫線的尾部（相對高的壓力），吸收迅速增加，表明有大量的中孔；同樣，圖5b顯示T-ZIF-67擁有較多的微孔，BET比表面積分別為25.869、2.742、and11.703平方米每克；圖5c表明熱解後的吸附類型從LangmuirI轉變為Langmuir III；圖5d顯示孔徑越大，分布越分散。


圖6：M-ZIF-67, H-ZIF-67和T-ZIF-67的TGA曲線


圖6研究了三種複合材料在空氣氣氛下的熱穩定性，當溫度升高到950℃時，重量分別保持在44.85%、11.17%和36.96%。H-ZIF-67和T-ZIF-67經過分解有輕微的質量損失，而M-ZIF-67穩定低於500℃，這種現象表明，M-ZIF-67的熱穩定性比H-ZIF-67和T-ZIF-67好的多。


圖7：M-ZIF-67, H-ZIF-67和T-ZIF-67的TGA曲線


圖8：a)氧氣飽和的1 M KOH溶液中的M-350, M-450, M-550和 M-650 LSV曲線，b)合成催化劑的塔菲爾圖 


圖9：a）氧氣飽和的1 M KOH溶液中的M-Co3O4/NPC, H-Co3O4/NPC和 T-Co3O4/NPC複合材料的LSV曲線，b)合成催化劑的塔菲爾圖


圖10：M-Co3O4/NPC, H-Co3O4/NPC, and T-Co3O4/NPC複合材料在恆電位分別為1.53, 1.62,1.55 V時的恆電位階躍響應


圖11：M-Co3O4/NPC結構示意圖

通訊作者簡介

羅學濤，廈門大學教授，博士生導師，材料學院副院長。近三年來參加承擔國家自然基金重點項目、省重大科技專項、省重點基、企業委託橫向課題20餘項。發表高水平文章120餘篇，授權專利50餘項。


主要研究領域

低成本多晶矽冶金法製備

MOF基催化劑的製備及性能研究

高嶺土深加工技術

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Nano-Micro Letters 是上海交通大學主辦的英文學術期刊，主要報導納米/微米尺度相關的最新高水平科研成果與評論文章及快訊，在 Springer 平臺開放獲取（open-access）出版。已被 SCI、Ei、SCOPUS、DOAJ、知網、萬方等資料庫收錄，影響因子4.849。JCR學科分區在材料學科和物理學科均居Q1區。近年來，該刊入選「中國科技期刊國際影響力提升計劃」和「上海市高水平高校學術期刊支持計劃」項目資助，多次獲得「中國最具國際影響力學術期刊」、 「高校百佳科技期刊獎」、「上海市高校精品期刊獎」、「優秀期刊網站獎」等榮譽。 

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