汪廣進(jìn)1,2,程 凡1,徐 甜2,余 意2,文 勝1,龔春麗1,劉 海1,汪 杰1,鄭根穩(wěn)1,潘 牧2
(1 湖北工程學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,孝感432000;2 武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北燃料電池重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430070)
摘 要 采用溶膠-凝膠法結(jié)合二次高溫?zé)Y(jié)技術(shù),制備了錳系鈣鈦礦催化劑。利用XRD和EDS對(duì)催化劑的物相與元素組成進(jìn)行了分析,并利用電化學(xué)分析方法研究了催化劑的氧還原催化性能。XRD與EDS結(jié)果表明,N2氣氛二次燒結(jié)不改變La0.7Sr0.3-MnO3物相組成,但NH3氣氛二次燒結(jié)會(huì)造成La0.7Sr0.3MnO3分解。電化學(xué)結(jié)果表明,N2氣氛二次燒結(jié)催化劑的氧還原催化活性高于NH3氣氛二次燒結(jié)催化劑,其氧還原起始電勢(shì)與極限電流分別為0.028V(vs.Hg/HgO)和2.181mA·cm-2(2?。埃埃埃颍恚椋睿?。
關(guān) 鍵 詞 二次燒結(jié)?。蹋?sub>0.7Sr0.3MnO3 氧還原反應(yīng) 催化活性
0 引言
目前,日益加劇的能源危機(jī)促進(jìn)了新型可再生能源裝置的快速發(fā)展,特別是質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton exchangemembrane?。妫酰澹臁。悖澹欤欤?,PEMFCs)[1]。PEMFCs的整體性能取決于其電催化劑的性能。目前已知催化活性最高的電催化劑是貴金屬鉑[2]。但貴金屬鉑成本高昂、資源稀缺,嚴(yán)重阻礙了PEMFCs的商業(yè)發(fā)展[3]。因此,非貴金屬電催化劑的研制對(duì)推動(dòng)PEMFCs發(fā)展具有重要意義。
由于具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能,鈣鈦礦型過渡金屬氧化物備受PEMFCs電催化劑研究領(lǐng)域的關(guān)注[4-7]。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)酸性介質(zhì)中La0.65Sr0.3MnO3粉末的氧還原起始電勢(shì)為0.50V(vs.SCE)[5],還發(fā)現(xiàn)堿性介質(zhì)中650℃煅燒La1-xSrxMnO3樣品的氧還原起始電勢(shì)為0.127V(vs.Hg/HgO),高于750℃和850℃樣品[7]。Yang等[8]發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型過渡金屬氧化物的氧還原催化活性決定于eg軌道電子填充度與B 位原子含氧基團(tuán)吸附強(qiáng)度,其中錳系氧化物(LaMn-O3)鈣鈦礦的氧還原催化活性最高,它的eg軌道電子填充度為1.0。采用第一性原理方法,Cheng等[9]發(fā)現(xiàn)LaMn-O3的氧還原電催化活性高于LaCrO3和LaFeO3,與Yang等[8]研究結(jié)果一致。Donne等[10]發(fā)現(xiàn)堿性介質(zhì)中La1-x-SrxMnO3的氧還原起始電勢(shì)約為0.0V (vs.Hg/HgO),與商業(yè)Pt/C的氧還原催化活性相當(dāng),但其擴(kuò)散電流密度仍遠(yuǎn)低于商業(yè)Pt/C,還不能滿足PEMFCs運(yùn)行要求。
此外,本課題組前期的研究還發(fā)現(xiàn)在NH3氣氛中950℃二次燒結(jié)處理燒綠石La2Zr2O7,可將其氧還原起始電勢(shì)、半波電勢(shì)和極限電流密度分別提高6.32%、6.02% 和8.27%[11]。因此,本實(shí)驗(yàn)擬以鈣鈦礦La0.7Sr0.3MnO3為研究對(duì)象,采用溶膠-凝膠法結(jié)合二次高溫?zé)Y(jié)技術(shù),借助物理化學(xué)與電化學(xué)表征方法,研究二次燒結(jié)氣氛對(duì)La0.7Sr0.3MnO3氧還原催化活性的影響。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 催化劑制備
本實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑均為分析純級(jí),購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。借鑒實(shí)驗(yàn)室溶膠-凝膠法合成經(jīng)驗(yàn)[5-7],制備La0.7Sr0.3MnO3前驅(qū)體。首先,配制體積比為1∶1的乙醇水溶液。按照金屬離子物質(zhì)的量比為0.7∶0.3∶1稱?。蹋幔ǎ危?sub>3)3·6H2O、Sr(NO3)2和Mn(NO3)2溶于混合溶液中,配制成硝酸鹽溶液。再加入與金屬離子物質(zhì)的量比為2∶1的檸檬酸,形成檸檬酸硝酸鹽溶液。然后,在恒溫水浴鍋中80℃熱處理檸檬酸硝酸鹽溶液,將溶液變成溶膠。將所得溶膠置于真空干燥箱內(nèi)80℃干燥12h,形成蜂窩狀蓬松干凝膠。接著,將獲得的干凝膠置于石英管式爐中650℃預(yù)煅燒3h,獲得La0.7Sr0.3MnO3前驅(qū)體。最后,在石英氣氛管式爐中,NH3和N2氣氛保護(hù)下,950℃二次燒結(jié)處理La0.7Sr0.3-MnO3前驅(qū)體24h獲得催化劑樣品。
1.2 催化劑物化性能表征
利用X射線衍射儀分析催化劑前驅(qū)體與催化劑的物相組成。其中,X射線源為Cu Kα,管電壓為40kV,管電流為50mA,掃描范圍為20~80°,掃描速度為5(°)/min,步長(zhǎng)為0.02°,精度為Δ2θ≤±0.02°。利用掃描電子顯微鏡分析催化劑樣品的微觀形貌結(jié)構(gòu),并結(jié)合X射線能譜儀定量分析催化劑樣品的元素組成。
1.3 催化劑電化學(xué)性能表征
分別稱取一定量的催化劑樣品、碳粉和5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Nafion溶液,加入體積比為1∶1的乙醇/水溶液中,超聲分散處理30min,制得催化劑墨水,其中1mL催化劑墨水含5mg催化劑、1mg碳粉和20μL?。危幔妫椋铮?。然后,用微量移液器移?。保?mu;L催化劑墨水滴加到玻璃碳電極上,待溶劑完全揮發(fā),制得工作電極,其中1cm2 工作電極表面含0.5mg催化劑和100μg碳粉。將工作電極浸入0.5mol/L?。耍希热芤捍郎y(cè)。采用傳統(tǒng)三電極體系,分別以鉑電極和Hg/HgO電極為對(duì)電極和參比電極,評(píng)價(jià)催化劑樣品的氧還原催化活性。其中,循環(huán)伏安掃描和線性電勢(shì)掃描測(cè)試的掃描速率分別為20mV/s和5mV/s,電勢(shì)范圍為-0.6~0.2V(vs.Hg/HgO)。本實(shí)驗(yàn)中所有電流密度均以玻璃碳電極幾何面積為催化活性面積進(jìn)行歸一化,所有測(cè)試都在室溫下完成。
2 結(jié)果與討論
2.1 物相及形貌分析
圖1為La0.7Sr0.3MnO3前驅(qū)體的XRD圖譜。從圖1可以看出,前驅(qū)體氧化物的主要衍射峰峰位分別位于2θ =22.9°、32.9°、40.3°、47.0°、52.8°、58.7°、68.7°和78.0°,這些衍射峰峰位分別與鈣鈦礦型氧化物La0.7Sr0.3MnO3的(012)、(104)、(202)、(024)、(122)、(214)、(220)和(134)晶面衍射峰峰位對(duì)應(yīng)。此外,沒有出現(xiàn)其他雜質(zhì)衍射峰。結(jié)果表明,采用溶膠凝膠法可以合成出純度較高的La0.7Sr0.3MnO3鈣鈦礦型氧化物,與本課題組之前報(bào)道結(jié)果相符。
為分析二次燒結(jié)氣氛對(duì)催化劑物相的影響,圖2給出了在NH3和N2氣氛中二次燒結(jié)催化劑的XRD圖譜。從圖2可以看出,經(jīng)N2氣氛二次燒結(jié)催化劑的XRD圖譜類似于La0.7Sr0.3MnO3前驅(qū)體XRD圖譜,說明經(jīng)N2氣氛二次燒結(jié)不會(huì)改變La0.7Sr0.3MnO3鈣鈦礦物相結(jié)構(gòu)。但經(jīng)NH3氣氛二次燒結(jié)催化劑XRD圖譜完全不同于La0.7Sr0.3MnO3前驅(qū)體XRD圖譜,說明經(jīng)NH3氣氛二次燒結(jié)破壞了La0.7Sr0.3-MnO3鈣鈦礦物相組成。Atsumi等[12]發(fā)現(xiàn)在1% H2還原氣氛中La1-σSrσMnO3(0.2≤σ≤0.5)高溫分解為(La1-x-Srx)2MnO4和MnO。Andrieux等[13]發(fā)現(xiàn)在極低O2濃度中La0.8Sr0.2MnO3±δ高溫分解為La2O3、SrMnO3、La2MnO4和MnO。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),在NH3氣氛中二次燒結(jié)后,La0.7Sr0.3-MnO3前驅(qū)體部分分解為SrMnO2.694。與(La0.7Sr0.3)2MnO4和MnO的衍射峰峰位相比,分解產(chǎn)物衍射峰峰位均向左移動(dòng),說明分解產(chǎn)物晶格可能發(fā)生改變。
圖3(a)、(b)分別為N2和NH3氣氛中二次燒結(jié)催化劑的SEM 圖。由圖3(a)可以看出,N2氣氛中二次燒結(jié)催化劑顆粒粒徑約為250nm,這與二次燒結(jié)引起La0.7Sr0.3MnO3前驅(qū)體晶體再生長(zhǎng)相關(guān)。相比N2氣氛中二次燒結(jié)催化劑的顆粒粒徑,NH3氣氛中二次燒結(jié)的部分催化劑顆粒粒徑約為100nm,可能是由于NH3氣氛中二次燒結(jié)會(huì)引起La0.7Sr0.3-MnO3前驅(qū)體的分解,從而造成前驅(qū)體晶體裂解。此外,圖3(c)為NH3氣氛中二次燒結(jié)催化劑的EDS圖譜。由圖3(c)可知,除元素La、Sr、Mn和O外,NH3氣氛中二次燒結(jié)催化劑中還含N元素。結(jié)合XRD與EDS分析可得,NH3氣氛中二次燒結(jié)前驅(qū)體分解為MnO1-xNx、(La0.7Sr0.3)2MnO4-δNδ(0≤δ<4)和SrMnO2.694。
2.2 電化學(xué)分析
圖4為碳粉與不同氣氛二次燒結(jié)催化劑樣品的循環(huán)伏安曲線,所用電解質(zhì)為O2飽和的KOH溶液,掃描速率為20mV/s,電勢(shì)掃描范圍為-0.6~0.2V (vs.Hg/HgO)。從圖4可以看出,兩種催化劑的峰電流密度和氧還原起始電勢(shì)都明顯高于同等條件下的碳粉,說明在堿性電解質(zhì)中催化劑的氧還原催化活性強(qiáng)于碳粉。對(duì)比在N2和NH3氣氛中二次燒結(jié)La0.7Sr0.3MnO3前驅(qū)氧化物的循環(huán)伏安曲線,發(fā)現(xiàn)前者的氧還原起始電勢(shì)和峰電流密度都高于后者,說明前者的氧還原催化活性強(qiáng)于后者,同時(shí)也說明La0.7Sr0.3MnO3前驅(qū)體物相結(jié)構(gòu)破壞會(huì)導(dǎo)致其催化活性位數(shù)目減少,最終造成氧還原催化活性降低。
圖5為不同轉(zhuǎn)速下催化劑的線性電勢(shì)掃描曲線,所用電解質(zhì)為O2飽和的KOH溶液,掃描速率為10mV/s,旋轉(zhuǎn)速度為400 r/min、600 r/min、900 r/min、1 200 r/min、1?。叮埃埃颍恚椋詈停病。埃埃埃颍恚椋?。由圖5可以看出,催化劑的極限電流隨轉(zhuǎn)速增加而增加。其中,NH3氣氛二次燒結(jié)催化劑樣品的極限電流密度由0.943mA·cm-2(400r/min)增至1.984mA·cm-2(2 000r/min),其氧還原起始電位為-0.062V (vs.Hg/HgO)。但N2氣氛二次燒結(jié)催化劑樣品的極限電流密度由1.247mA·cm-2(400r/min)提高到2.181mA·cm-2(2?。埃埃埃颍恚椋睿?,其起始電位為0.028V(vs.Hg/HgO)。N2氣氛二次燒結(jié)催化劑樣品的2個(gè)電化學(xué)參數(shù)均顯著高于NH3氣氛二次燒結(jié)催化劑樣品,說明前者的氧還原催化活性高于后者,但明顯低于La0.7Sr0.3MnO3前驅(qū)體[7],可能與二次燒結(jié)引起催化劑樣品顆粒晶體再生長(zhǎng)有關(guān)。
3 結(jié)論
采用溶膠-凝膠法結(jié)合二次高溫?zé)Y(jié)技術(shù)成功制備了錳系鈣鈦礦催化劑。XRD與EDS結(jié)果表明,N2氣氛二次燒結(jié)不改變La0.7Sr0.3MnO3前驅(qū)體物相,但NH3氣氛二次燒結(jié)會(huì)導(dǎo)致La0.7Sr0.3MnO3前驅(qū)體分解為(La0.7Sr0.3)2MnO4-δNδ(0≤δ<4)、MnO1-xNx和SrMnO2.694。電化學(xué)結(jié)果表明,N2氣氛二次燒結(jié)催化劑的氧還原催化活性高于NH3氣氛二次燒結(jié)催化劑,其氧還原起始電勢(shì)與極限電流分別為0.028V(vs.Hg/HgO)和2.181mA·cm-2(2?。埃埃埃颍恚椋睿?/span>
參 考 文 獻(xiàn)
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