一种B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于电池领域,特别涉及一种B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂及其制备方法。
背景技术
随着环境污染和能源危机的加重,开发利用新的能量转换和存储技术迫在眉睫。在诸多新能源关键技术中,金属-空气电池,燃料电池和水分解制氢是当前的研究热点,极有应用前景。在金属-空气电池、燃料电池和水分解制氢中,氧气还原反应(oxygenreduction reaction,ORR)和析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)是最为关键的反应。ORR和OER反应涉及到多步复杂电子传递过程,反应动力学极为缓慢,因此寻找能提升反应速率的氧气电催化剂极为关键;在金属-空气电池中,同时具有ORR和OER性能的双功能氧气电催化剂可以解决工作电压匹配的问题;因此,开发廉价、高效、双功能的氧气电催化剂至关重要。
目前商用的ORR催化剂为含贵金属Pt的Pt/C催化剂,而OER的催化剂为同样价格高昂的Ru、Ir及其氧化物。稀缺的贵金属资源和高昂的价格成为限制氧气电催化剂应用的关键问题。如专利CN103811774A提供了一种贵金属与钙钛矿类氧化物混合的电催化剂,所述贵金属为Pt,Pd,Au或Ag的一种或几种。制造成本仍然高,不适合工业大量生产。为解决成本问题,开发其他高性能非贵金属电催化剂成为研究者的关注热点。在诸多非贵金属电催化剂中,碳材料(Chem.Soc.Rev.,2016,45,1273)、金属氧化物(Energy Environ.Sci.,2015,8,1404)、单原子催化剂(ACS Energy Lett.2018,3,1713)、金属硫属化合物(Chem.Soc.Rev.,2017,46,337)、金属氮属化合物(Chem.Soc.Rev.,2017,46,337)等是目前的研究重点。金属氧化物因其可选金属种类多样、结构多样(可为钙钛矿结构、尖晶石结构、双层钙钛矿结构、反钙钛矿结构、层状结构等)、易于掺杂改性等优点,正获得更多的关注。在诸多金属氧化物类电催化剂中,钙钛矿类型氧化物结构稳定、性能优异、价格低廉,是目前的研究热点。钙钛矿类氧化物是一种化学结构式为ABO3的氧化物,其中A多为稀土元素或者碱土元素,B为过渡金属。与其他类型氧化物相比,钙钛矿类氧化物的优点是其结构和成分的灵活可调性,A位和B位均可部分掺杂其他元素构成拥有更丰富物化性能的A1-xA′xB1- yB′yO3-δ氧化物(small2017,13,1603793),且有可能创造出同时具有优异ORR与OER的双功能电催化剂。
在钙钛矿类氧化物电催化剂的掺杂改性研究中,在B位通常使用过渡金属掺杂。例如在SrCoO3氧化物中掺杂Nb和Fe构成SrNb0.1Co0.7Fe0.2O3-δ氧化物,掺杂后的氧化物拥有更稳定的立方结构、优化的eg轨道填充、更强的离子和电荷转移能力、更高的OH-吸附和O2脱附能力,因此掺杂后的氧化物针对OER有更高的催化性能(Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,3897)。然而过渡金属元素的掺杂往往导致材料的成相温度提高,特别是高价态过渡金属如W、Nb、Ta等,会提高成相温度200-300℃,且高价态的金属掺杂也导致氧空位的减少,在一定程度上降低材料的电催化性能。因此,探索非金属类的掺杂吸引了越来越多的研究兴趣。在氧气分离膜和固态氧化物燃料电池的研究中,非金属如P、Si和B的掺杂已经取得了一定的研究基础,而在室温电催化领域,P和Si也被用于对钙钛矿类氧化物氧气电催化剂的掺杂改性(Adv.Funct.Mater.2016,26,5862,Adv.Mater.Interfaces 2018,1701693)。然而非金属元素B作为常温钙钛矿类氧化物电催化剂的掺杂还未见有报导。
发明内容
针对现有制备钙钛矿氧化物电催化剂的缺陷,本发明目的是提供一种B掺杂SrCo1-xBxO3-δ常温电催化剂的制备方法。所述制备方法工艺简单、成本低、绿色环保。且制备得到的电催化剂具有ORR和OER双电催化功能,性能可媲美商用Pt/C或者IrO2。
本发明具体技术方案如下:
一种B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将SrCO3、Co2O3、H3BO3按照SrCo1-xBxO3-δ中各元素化学计量比的比例称量,其中0<x≤0.30(优选0<x≤0.15),0<δ<0.5,然后混合,得到粉末a;
(2)步骤(1)中得到的粉末a放入球磨罐中,加入有机溶剂,按照磨球与粉末的质量比为15-2:1(优选10-5:1)称量磨球,并加入到球磨罐中;
(3)将步骤(2)中的球磨罐放入球磨仪中,球磨,然后将球磨后所得浆料取出,干燥,然后在研钵中手磨直到材料颗粒均匀分散,得到粉末b;
(4)将步骤(3)中得到的粉末b放入马弗炉(由合肥科晶材料技术有限公司提供,型号为KSL-1100X-S)中,在空气气氛中以800-1200℃,焙烧5-10h,取出后在研钵中手磨30-60min,得到成相的SrCo1-xBxO3-δ精细粉末c;
(5)将步骤(3)中得到的粉末c与XC-72碳粉(由凯茵化工有限公司提供,型号为VXC72R)按照质量比为1:0.5-2(优选1:1)的比例混合,加入Nafion醇溶液(全氟磺酸型聚合物醇溶液),超声震荡(超声震荡频率为60-100HZ,优选80HZ)20-70min(优选30-60min)进行混合,得到B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂。
优选的,步骤(2)中的球磨罐为氧化锆球磨罐(由南京驰顺科技发展有限公司提供)。
优选的,步骤(2)中加入的有机溶剂为无水乙醇,粉末a与无水乙醇的配比为1mol:800-2000mL(优选1mol:1000mL)。
优选的,步骤(2)中磨球为氧化锆磨球。
优选的,步骤(3)中所述球磨仪为高能球磨仪(由合肥科晶材料技术有限公司提供,型号为行星式混料机MSK-SFM-1)。
优选的,步骤(3)中球磨的具体过程为:球磨仪以250-450r/min的速度球磨2-5h。
优选的,步骤(3)中的干燥具体过程为:在烘干箱中以75-90℃(优选80℃)干燥12-24h。
优选的,步骤(4)中焙烧的温度为900-1100℃。
优选的,步骤(5)中Nafion醇溶液是Nafion溶液和异丙醇水溶液按体积比为1:2-4(优选1:3)混合而成,所述Nafion醇溶液的浓度为质量分数为2-6%(优选5%),所述异丙醇水溶液中异丙醇与水的体积比为1:0.5-2。进一步优选地,使用的水为超纯水。
不同B的掺杂量可通过改变球磨时间和焙烧温度实现成相。
步骤(4)中所得粉末c为四方晶体相,颗粒尺寸为5-50μm,同时具有优异的ORR和OER性能。
步骤(5)是为了将精细粉末c做成催化剂墨水,用于电催化性能的测试。
一种工作电极,用移液枪吸取B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂滴到清洗干净的玻碳电极(由天津艾达恒晟科技发展有限公司提供,型号为GC150)表面,在空气中干燥12-24小时,即得到所需的工作电极。
所述B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂应用于金属-空气电池、燃料电池或水分解制氢领域。
所述B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂还用于制备电催化剂墨水。
采用三电极体系对电催化性能进行测试,其中对电极为Pt片电极,参比电极为Ag/AgCl电极;再用电化学工作站(EnergyLab XM电化学工作站,由阿美特克商贸有限公司提供)进行电催化性能测试,进行ORR电化学催化性能测试时,首先通N2,在N2饱和的1mol/LKOH溶液中扫描循环伏安曲线(CV),扫描区间为-0.8-0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为50mV/s;然后通O2,在O2饱和的1mol/L KOH溶液中用线性扫描伏安法测试,扫描区间为-0.8-0.0Vvs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min;进行OER测试时,选择线性扫描伏安法区间0.0-0.8V vs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min。
相比于现有技术,本发明的有益效果在于:
(1)本发明通过廉价非金属B在SrCoO3-δ中的掺杂对SrCoO3-δ钙钛矿晶体结构进行改变,由六方晶体改为更加稳定的四方晶体;B的掺杂进一步提高了钙钛矿类氧化物的电催化性能,实现了廉价高效电催化剂的制备,且产品同时具备良好的ORR与OER性能。
(2)本发明使用简单的球磨混合结合高温焙烧的办法,制备成本低,样品结构与物化性能稳定的电催化剂,十分利于工业的大量生产。
附图说明
图1为实施例4制得的SrCo0.95B0.05O3-δ的X射线衍射图谱。
图2为实施例4制得的SrCo0.95B0.05O3-δ的扫描电镜图片。
图3为实施例4制得的SrCo0.95B0.05O3-δ的反映ORR性能的先行扫描伏安法曲线(即LSV曲线)。
图4为实施例4制得的SrCo0.95B0.05O3-δ的反映OER性能的LSV曲线。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行进一步的阐述,需要说明的是,下述说明仅是为了解释本发明,并不对本发明保护范围有限制作用。
实施例1
一种B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将0.05mol的SrCO3,0.0245molCo2O3和0.001mol的H3BO3混合,得到粉末a;
(2)步骤(1)中得到的粉末a放入氧化锆球磨罐中,倒入200mL无水乙醇,按照氧化锆磨球与粉末a的质量比为2:1称量氧化锆磨球,并加入到氧化锆球磨罐中;
(3)将步骤(2)中的氧化锆球磨罐放入高能球磨仪中,高能球磨仪以250r/min的速度球磨2h,然后将球磨后所得浆料取出,在烘干箱中以75℃干燥24h,然后在研钵中手磨均匀,得到粉末b;
(4)将步骤(3)中得到的粉末b放入马弗炉中,在空气气氛中以800℃焙烧5h,取出后在研钵中手磨30min,得到成相的SrCo0.98B0.02O3-δ精细粉末c,细粉末c的颗粒大小为5μm;
(5)将步骤(3)中得到的粉末c取出5.0mg与3.0mg的XC-72碳粉混合,加入1mL的Nafion溶液和2mL的异丙醇与超纯水的混合溶液,其中异丙醇与超纯水的混合溶液中异丙醇的体积为1mL,超纯水的体积为1mL,超声震荡20min进行混合,得到B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂。
步骤(5)之后,还包括用移液枪吸取B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂滴40μL滴到清洗干净的面积为0.196cm2的玻碳电极表面,在空气中干燥12h,即得到所需的工作电极,采用三电极体系对电催化性能进行测试,其中对电极为Pt片电极,参比电极为Ag/AgCl电极;
再用EnergyLab XM电化学工作站进行电催化性能测试,进行ORR电化学催化性能测试时,首先在N2饱和的1mol/L KOH溶液中扫描循环伏安曲线(CV),扫描区间为-0.8~0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为50mV/s;然后在O2饱和的1mol/L KOH溶液中用线性扫描伏安法测试,扫描区间为-0.8~0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min;进行OER测试时,选择线性扫描伏安法区间0.0-0.8V vs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min。
实施例2
一种B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将0.05mol的SrCO3,0.022molCo2O3和0.006mol的H3BO3混合,得到粉末a;
(2)步骤(1)中得到的粉末a放入氧化锆球磨罐中,倒入100mL无水乙醇,按照氧化锆磨球与粉末a的质量比为8:1称量氧化锆磨球,并加入到氧化锆球磨罐中;
(3)将步骤(2)中的氧化锆球磨罐放入高能球磨仪中,高能球磨仪以350r/min的速度球磨3h,然后将球磨后所得浆料取出,在烘干箱中以80℃干燥24h,然后在研钵中手磨均匀,得到粉末b;
(4)将步骤(3)中得到的粉末b放入马弗炉中,在空气气氛中以900℃焙烧5h,取出后在研钵中手磨40min,得到成相的SrCo0.88B0.12O3-δ精细粉末c,粉末c的颗粒大小为50μm;
(5)将步骤(3)中得到的粉末c取出5.0mg与5.0mg的XC-72碳粉混合,加入0.5mL的Nafion溶液和1.5mL的异丙醇与超纯水的混合溶液,其中异丙醇与超纯水的混合溶液中异丙醇的体积为1mL,超纯水的体积为0.5mL,超声震荡40min进行混合,得到B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂。
步骤(5)之后,还包括用移液枪吸取B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂滴30μL滴到清洗干净的面积为0.196cm2的玻碳电极表面,在空气中干燥24h,即得到所需的工作电极,采用三电极体系对电催化性能进行测试,其中对电极为Pt片电极,参比电极为Ag/AgCl电极;
再用EnergyLab XM电化学工作站进行电催化性能测试,进行ORR电化学催化性能测试时,首先在N2饱和的1mol/L KOH溶液中扫描循环伏安曲线(CV),扫描区间为-0.8~0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为50mV/s;然后在O2饱和的1mol/L KOH溶液中用线性扫描伏安法测试,扫描区间为-0.8~0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min;进行OER测试时,选择线性扫描伏安法区间0.0-0.8V vs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min。
实施例3
一种B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将0.05mol的SrCO3,0.02125mol Co2O3和0.0025mol的H3BO3混合,得到粉末a;
(2)步骤(1)中得到的粉末a放入氧化锆球磨罐中,倒入200mL无水乙醇,按照氧化锆磨球与粉末a的质量比为15:1称量氧化锆磨球,并加入到氧化锆球磨罐中;
(3)将步骤(2)中的氧化锆球磨罐放入高能球磨仪中,高能球磨仪以450r/min的速度球磨5h,然后将球磨后所得浆料取出,在烘干箱中以90℃干燥24h,然后在研钵中手磨均匀,得到粉末b;
(4)将步骤(3)中得到的粉末b放入马弗炉中,在空气气氛中以1200℃焙烧8h,取出后在研钵中手磨50min,得到成相的SrCo0.85B0.15O3-δ精细粉末c,粉末c的颗粒大小为25μm;
(5)将步骤(3)中得到的粉末c取出5.0mg与10mg的XC-72碳粉混合,加入1mL的Nafion溶液和4mL的异丙醇与超纯水的混合溶液,其中异丙醇与超纯水的混合溶液中异丙醇的体积为2mL,超纯水的体积为2mL,超声震荡30min进行混合,得到B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂。
步骤(5)之后,还包括用移液枪吸取B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂滴30μL滴到清洗干净的面积为0.196cm2的玻碳电极表面,在空气中干燥12-24h,即得到所需的工作电极,采用三电极体系对电催化性能进行测试,其中对电极为Pt片电极,参比电极为Ag/AgCl电极;
再用EnergyLab XM电化学工作站进行电催化性能测试,进行ORR电化学催化性能测试时,首先在N2饱和的1mol/L KOH溶液中扫描循环伏安曲线(CV),扫描区间为-0.8~0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为50mV/s;然后在O2饱和的1mol/L KOH溶液中用线性扫描伏安法测试,扫描区间为-0.8~0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min;进行OER测试时,选择线性扫描伏安法区间0.0-0.8V vs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min。
实施例4
一种B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)称取0.05mol的SrCO3,0.02375molCo2O3和0.0025mol的H3BO3放入氧化锆球磨罐中,混合,制得粉末a;
(2)步骤(1)中得到的粉末a放入氧化锆球磨罐中,倒入无水乙醇100mL,按照氧化锆磨球与粉末a的质量比为7:1称量氧化锆磨球,并加入到氧化锆球磨罐中;
(3)将步骤(2)中的氧化锆球磨罐放入高能球磨仪中,高能球磨仪以350r/min的速度球磨4h,然后将球磨后所得浆料取出,在烘干箱中以80℃干燥24h,然后在研钵中手磨均匀,得到粉末b;
(4)将步骤(3)中得到的粉末b放入马弗炉中,在空气气氛中以1000℃焙烧5h,取出后在研钵中手磨30min,得到成相的SrCo0.95B0.05O3-δ精细粉末c,粉末c的颗粒大小为5-50μm;
(5)将步骤(3)中得到的粉末c取出5.0mg与5.0mg的XC-72碳粉混合,加入0.5mL的Nafion溶液,再加入异丙醇与超纯水的混合溶液1.5mL,其中异丙醇1.0mL,超纯水0.5mL,超声震荡40min进行混合,得到B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂。
步骤(5)之后,还包括用移液枪吸取B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂30μL滴到清洗干净的面积为0.196cm2的玻碳电极表面,在空气中干燥12-24h,即得到所需的工作电极,采用三电极体系对电催化性能进行测试,其中对电极为Pt片电极,参比电极为Ag/AgCl电极。
再用EnergyLab XM电化学工作站进行电催化性能测试,进行ORR电化学催化性能测试时,首先通氮气30min,在N2饱和的1mol/L KOH溶液中扫描循环伏安曲线(CV),扫描区间为-0.8~0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为50mV/s;然后通O2 30min,在O2饱和的1mol/L KOH溶液中用线性扫描伏安法测试,扫描区间为-0.8~0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min;进行OER测试时,选择线性扫描伏安法区间0.0-0.8Vvs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min。
图1为实施例4制得的SrCo0.95B0.05O3-δ的X射线衍射图谱。
图2为实施例4制得的SrCo0.95B0.05O3-δ的扫描电镜图片。
图3为实施例4制得的SrCo0.95B0.05O3-δ的反映ORR性能的LSV曲线,极限电流达到5mA/cm2,接近商用铂碳的极限电流。
图4为实施例4制得的SrCo0.95B0.05O3-δ的反映OER性能的LSV曲线,过电势达到410mV。
实施例5
一种B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)称取0.05mol的SrCO3,0.024375molCo2O3和0.00125mol的H3BO3放入氧化锆球磨罐中,混合,制得粉末a;
(2)步骤(1)中得到的粉末a放入氧化锆球磨罐中,倒入无水乙醇100mL,按照氧化锆磨球与粉末a的质量比为5:1称量氧化锆磨球,并加入到氧化锆球磨罐中;
(3)将步骤(2)中的氧化锆球磨罐放入高能球磨仪中,高能球磨仪以300r/min的速度球磨3h,然后将球磨后所得浆料取出,在烘干箱中以80℃干燥24h,然后在研钵中手磨均匀,得到粉末b;
(4)将步骤(3)中得到的粉末b放入马弗炉中,在空气气氛中以900℃焙烧5h,取出后在研钵中手磨30min,得到成相的SrCo0.975B0.025O3-δ精细粉末c,粉末c的颗粒大小为5-50μm;
(5)将步骤(3)中得到的粉末c取出5.0mg与5.0mg的XC-72碳粉混合,加入0.5mL的Nafion溶液,再加入异丙醇与超纯水的混合溶液1.5mL,其中异丙醇0.75mL,超纯水0.75mL,超声震荡30min进行混合,得到B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂。
步骤(5)之后,还包括用移液枪吸取B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂30μL滴到清洗干净的面积为0.196cm2的玻碳电极表面,在空气中干燥12-24h,即得到所需的工作电极,采用三电极体系对电催化性能进行测试,其中对电极为Pt片电极,参比电极为Ag/AgCl电极。
再用EnergyLab XM电化学工作站进行电催化性能测试,进行ORR电化学催化性能测试时,首先通氮气30min,在N2饱和的1mol/L KOH溶液中扫描循环伏安曲线(CV),扫描区间为-0.8~0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为50mV/s;然后通O2 30min,在O2饱和的1mol/L KOH溶液中用线性扫描伏安法测试,扫描区间为-0.8~0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min;进行OER测试时,选择线性扫描伏安法区间0.0-0.8Vvs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min。
实施例6
一种B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)称取0.05mol的SrCO3,0.0225molCo2O3和0.005mol的H3BO3放入氧化锆球磨罐中,混合,制得粉末a;
(2)步骤(1)中得到的粉末a放入氧化锆球磨罐中,倒入无水乙醇100mL,按照氧化锆磨球与粉末a的质量比为10:1称量氧化锆磨球,并加入到氧化锆球磨罐中;
(3)将步骤(2)中的氧化锆球磨罐放入高能球磨仪中,高能球磨仪以400r/min的速度球磨5h,然后将球磨后所得浆料取出,在烘干箱中以80℃干燥24h,然后在研钵中手磨均匀,得到粉末b;
(4)将步骤(3)中得到的粉末b放入马弗炉中,在空气气氛中以1100℃焙烧10h,取出后在研钵中手磨30min,得到成相的SrCo0.9B0.1O3-δ精细粉末c,粉末c的颗粒大小为5-50μm;
(5)将步骤(3)中得到的粉末c取出5.0mg与5.0mg的XC-72碳粉混合,加入0.5mL的Nafion溶液,再加入异丙醇与超纯水的混合溶液1.5mL,其中异丙醇0.5mL,超纯水1.0mL,超声震荡60min进行混合,得到B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂。
步骤(5)之后,还包括用移液枪吸取B掺杂钙钛矿类氧化物的电催化剂30μL滴到清洗干净的面积为0.196cm2的玻碳电极表面,在空气中干燥12-24h,即得到所需的工作电极,采用三电极体系对电催化性能进行测试,其中对电极为Pt片电极,参比电极为Ag/AgCl电极。
再用EnergyLab XM电化学工作站进行电催化性能测试,进行ORR电化学催化性能测试时,首先通氮气30min,在N2饱和的1mol/L KOH溶液中扫描循环伏安曲线(CV),扫描区间为-0.8-0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为50mV/s;然后通O2 30min,在O2饱和的1mol/L KOH溶液中用线性扫描伏安法测试,扫描区间为-0.8-0.0V vs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min;进行OER测试时,选择线性扫描伏安法区间0.0-0.8Vvs.Ag/AgCl,扫描速率为10mV/s,旋转圆盘装置转速控制为1600r/min。