凹凸棒石/g-C3N4复合材料的制备及其电催化析氧性能研究

张盛, 蒋亿, 纪媛媛, 杜莹, 盛振环, 殷竟洲, 李乔琦, 张莉莉

凹凸棒石/g-C3N4复合材料的制备及其电催化析氧性能研究

张盛, 蒋亿, 纪媛媛, 杜莹, 盛振环, 殷竟洲, 李乔琦, 张莉莉

(淮阴师范学院 化学化工学院, 江苏省低维材料化学重点实验室, 江苏省环境工程实验室, 淮安 223300)

以凹凸棒石(ATP)为载体, 通过原位沉积, 结合冷冻干燥、程序焙烧工艺在其表面负载不同质量分数的类石墨相氮化碳(g-C3N4)薄层材料, 制备系列ATP/g-C3N4复合材料用于电催化析氧反应, 产物标识为ATP/g-C3N4-(质量分数=ATP: (ATP +g-C3N4)=0.33、0.40、0.50、0.67), 并研究在0.1 mol/L KOH的电解液中的电催化析氧性能。结果表明: g-C3N4薄层通过Si–O–C键牢固负载于凹凸棒石表面, 从而有效调变g-C3N4表面的电子层结构, 提供更多的催化活性位点。电催化析氧测试的结果表明: ATP/g-C3N4-0.50具有最优的析氧催化性能, 在10 mA/cm2电流密度下其析氧过电位为410 mV, 塔菲尔斜率为118 mV/dec, 并表现出优异的析氧稳定性。

凹凸棒石; 石墨相氮化碳; 电催化; 析氧反应

氢能具有燃烧热值高、无污染且储量丰富等特点, 是最为理想的二次能源之一[1]。相对于其他制氢方法, 电解水制氢具有制备氢气纯度高、工艺过程简单和无污染等优点, 自1800年 Nicholson和Carlisle发现了电解水技术以来[2], 电解水技术引起了广泛注意。但较高的析氧过电位一直是高能耗的主要原因, 因此如何降低析氧过电位成为电解水制氢的热点问题。寻求高效廉价的析氧阳极材料, 降低阳极过电位, 提高其析氧性能进而减少能耗是目前科学研究的重点[3-5]。

近年来的研究表明, 石墨相氮化碳(g-C3N4)具有优异的电催化析氧性能[6-8], 而且具有热稳定性和化学稳定性好、无毒无害、成本低廉等优点[9], 但g-C3N4的层与层之间具有较强的范德华力, 进而导致其堆积紧密, 比表面积小、表面活性位点少, 而且禁带宽度较大、光生电子–空穴易于复合、光生载流子传输慢等严重降低了催化活性。为了提高g-C3N4的催化活性, 人们采取了一系列的改性方法, 如利用金属/非金属元素的掺杂、贵金属沉积、有机物共聚、半导体复合和模板法合成g-C3N4多种纳米结构等手段来调控g-C3N4的能带结构、增加比表面 积[10-15]。此外, 将g-C3N4剥离成二维薄层材料, 可以产生更多的表面活性位点, 缩短电子间的输送距离, 表现出高效的电化学性能[16], 但其存在二次聚集的趋势。将g-C3N4负载于高比表面积的材料上, 在大幅度提高其比表面积的同时, 可以有效地防止二维片层材料的团聚或二次堆积[17]。

凹凸棒石是一种以含水富镁硅酸盐为主的层链状结构的粘土矿物, 具有独特的纤维状晶体结构和发达的内外比表面积, 是一种天然的一维纳米材料。凹凸棒石表面富含羟基和明显的负电性, 容易与氨基等极性基团发生反应, 成为其接枝或改性等重要活性位点[18]。基于此, 为了提高g-C3N4的比表面积和暴露更多的反应活性位点, 本工作以凹凸棒石为载体, 将g-C3N4薄层原位包覆在其表面, 制备出新型复合电催化剂ATP/ g-C3N4, 与第一过渡金属及其氧化物相比, 具有成本低、活性较高等优点[19]。实验还研究了ATP/g-C3N4复合材料的电催化析氧反应(OER)。

1 实验方法

1.1 主要试剂及仪器

主要试剂: 凹凸棒石(江苏省淮源矿业有限公司); KH560(南京帝蒙特化学试剂有限公司); 甲苯、无水乙醇、氢氧化钾和三聚氰胺(国药集团化学试剂有限公司)。

主要仪器: 电化学工作站GHI-660E、饱和甘汞电极CHI-150(上海辰华仪器公司); 电热恒温鼓风干燥箱(上海博讯实业有限公司); 油浴锅DF-101S (河南省予华仪器有限公司); 循环水式真空泵SHZ-DCI(巩义市英峪予华仪器厂)。

1.2 制备催化剂

(1) 制备g-C3N4样品

称取0.4 g 三聚氰胺分散在50 mL的去离子水中, 超声分散, 80 ℃冷凝回流2 h, 接着冷冻干燥 48 h。产物研磨后加入到石英舟中, 将石英舟置于管式炉中, 在空气气氛下程序升温, 升温的程序为: 0.5 h从室温升温至500 ℃, 保温2 h后继续2 min升温至520 ℃, 保温2 h后自然降温至室温, 充分研磨至粉状, 得到纯相g-C3N4。

(2) 制备ATP/g-C3N4样品

(a) 硅烷偶联剂改性: 称取3 g凹凸棒石及100 mL的甲苯依次加入四颈烧瓶中, 搅拌均匀, 升温至60 ℃保温0.5 h后, 边搅拌边加入2.5 mL KH560, 搅拌反应4 h, 反应产物经过滤分离后依次用甲苯、无水乙醇洗涤, 并在60 ℃烘箱中干燥, 得到ATP-KH560, 研磨过200目(75mm)筛备用;

(b)复合材料的制备过程: 称取0.302 g ATP- KH560分散在100 mL的去离子水中, 超声分散; 然后加入0.604 g三聚氰胺, 搅拌, 80 ℃冷凝回流2 h, 接着冷冻干燥48 h。产物研磨后加入到石英舟中, 将石英舟置于管式炉中, 在空气气氛下程序升温, 升温的程序为: 0.5 h从室温升温至500 ℃, 保温2 h后继续2 min升温至520 ℃, 保温2 h后自然降温至室温, 充分研磨至粉状, 得ATP/g-C3N4-0.50复合材料。采用上述同样的方法, 通过调节三聚氰胺含量制备不同三聚氰胺含量的ATP/g-C3N4复合材料(=0.67, 0.40, 0.33时, 三聚氰胺用量分别为0.604、0.906、1.208 g)。

(3)为了便于比较, 将预先合成的g-C3N4与纯ATP按比例进行机械混合(Mechanical mixture), 测试混合物的电催化析氧性能。

1.3 制备电极

(1)预制备泡沫镍

选取孔径为149 μm的4 cm×1 cm大小的泡沫镍(2片), 依次用丙酮, 1 mol/L盐酸和去离子水超声清洗30 min, 然后在60 ℃烘箱中干燥过夜。

(2)制备复合材料电极

分别称8 mg的g-C3N4或ATP/g-C3N4、1.5 mg的乙炔黑粉体于研钵中, 研磨均匀后加入1wt%的聚乙烯溶液, 用软毛笔将样品均匀涂覆在泡沫镍电极上, 再将其放在60 ℃的烘箱中干燥过夜。

1.4 表征仪器及方法

采用瑞士ARLXTRA型X射线粉末衍射仪表征样品的物相; 采用Beckman Coulter公司生产的Coulter SA 3100型表面孔径吸附仪测试样品的比表面积(BET); 通过傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet is 50 FT-IR)对样品进行红外分析; 采用日立S3000型扫描电子显微镜观察样品的微观形貌; 在ESCALAB 250 (Thermo)型光电子能谱XPS仪上分析样品的表面元素价态; 在STA449F3同步热分析仪上(空气气氛, 升温速率10 ℃/min)对样品进行热稳定性分析。

1.5 析氧性能测试

使用CHI-660E电化学工作站测试样品的析氧性能, 采用三电极体系, 使用玻璃三室电解槽 (150 mL), 辅助电极为大面积铂片(2 cm× 2 cm), 参比电极为饱和甘汞电极(SCE), 工作电极为自制g-C3N4和不同比例ATP/g-C3N4的复合电极, 电解液为0.1 mol/L KOH溶液, 循环伏安曲线测试的扫描速度为50 mV·s–1, 电压扫描均为0~1.2 V (RHE)。

2 结果与讨论

2.1 结构与形貌分析

图1(a)是不同催化剂的XRD图谱。由图可见, ATP的衍射峰依次出现在2= 8.4°、19.6°、26.8°、35.1°, 这些衍射峰与凹凸棒石的特征峰相一致。g-C3N4的衍射峰依次出现在2=12.98°、27.56°, 与g-C3N4(JCPDS 50-1250)标准谱图一致, 分别来自于g-C3N4的3-s-三嗪单元的(100)晶面和共轭芳族体系堆叠形(002)晶面[20-22], 说明制备的样品是g-C3N4,且纯度比较高。对比图1(a,b)可知, 在不同比例的ATP/g-C3N4的图谱中均出现了凹凸棒石和g-C3N4的特征峰, 包覆g-C3N4之后, 凹凸棒石的部分特征峰明显减弱, 这是由于g-C3N4包覆在凹凸棒石表面, 使得凹凸棒石的特征峰变弱, 表明改性过程中没有破坏凹凸棒石的特征结构, 且g-C3N4成功负载在凹凸棒石表面。

图2为不同复合材料的红外谱图。由图2(a)可以看出, 除了g-C3N4外, 其它样品均在988和 1043 cm–1处出现了Si–O–Si的伸缩振动特征峰[23]。与纯ATP相比, ATP-KH560在814 cm–1处出现一个新的属于C–O–C键的伸缩振动特征峰, 表明KH560已成功地接枝到凹凸棒石表面; 经焙烧之后, 814 cm–1处的吸收峰消失, 说明焙烧之后KH560没有残留。g-C3N4和ATP/g-C3N4-0.50在1637、1433、1325和1250 cm–1处的吸收峰分别归属于碳氮环上的C–N单键、C=N双键的伸缩振动, 在809 cm–1处的吸收峰对应于三嗪单元C–N键的弯曲振动[24], 说明g-C3N4很好地负载在ATP上了。结合图2(b)可知, 除ATP/g-C3N4-0.67因ATP量过多在809 cm–1没有表现出相应的特征峰, 其它ATP/g-C3N4复合材料的特征峰与ATP/g-C3N4-0.50相似, 可知g-C3N4均很好地包覆在凹凸棒石上。

图1 不同催化剂(a)和不同比例ATP/g-C3N4催化剂(b)的XRD图谱

图2 不同催化剂(a)和不同比例ATP/g-C3N4催化剂(b)的红外谱图

通过X射线光电子能谱(XPS)分析对ATP/ g-C3N4-0.5的表面元素价态进行研究, 图3为ATP/ g-C3N4-0.5样品的XPS图谱。由全谱分析表明ATP/ g-C3N4-0.5样品表面覆盖有Si、Al、Mg、O、N和C元素, 其中Si、Al、Mg和O来自于凹凸棒石, 而N和C来自于表面包覆的g-C3N4。根据图3(b)中C 1s的谱图, C的结合能在284.6、286.2 和 287.5 eV出现一组峰分别对应于g-C3N4中的C–C键、C–N键C–N3键。从图3(c)中可以看出N 1s有三种不同的峰出现在398.2、398.8和399.7 eV处, 分别对应于g-C3N4的C=N–C键、N–C3键和 C–N–H键。从 图3(d)中可以看出O 1s出现在531.2、532.1和533.4 eV的三种不同的峰分别归属于Si–O–Si键、Si–O–H键和Si–O–C键。图3(e)给出了Si 2p的三种不同的峰101.7、102.6和103.4 eV, 分别归属于Si–O–Si键、Si–O–H键和 Si–O–C键[25]。由图3(d)和(e)可知, 经过520 ℃煅烧后, ATP和g-C3N4之间通过一个新的Si–O–C键结合在一起而不是简单的物理结合。

图4给出了不同材料的扫描电镜(SEM)照片, 由图4(a)中可以看出, 制备的g-C3N4呈明显的层状结构, 层与层之间堆积得很致密。图4(b)中凹凸棒石是由平均直径为50~70 nm, 长度为1000~2000 nm棒状纤维组成, 这种棒状纤维结构有利于做纳米催化剂的载体。如图4(c)所示, ATP/g-C3N4-0.50复合材料中g-C3N4均匀地负载在凹凸棒石表面, 无明显团聚现象。图4(d)是ATP/g-C3N4-0.50复合催化剂的EDAX图谱, 从图中可以看出ATP/g-C3N4复合催化剂是由C、N、O、Al、Mg 和 Si元素组成, 这与FT-IR、XPS分析结果一致。上述结果进一步证实g-C3N4薄层材料的形成并已成功负载在凹凸棒石表面。其他比例的ATP/g-C3N4的SEM照片与ATP/g-C3N4-0.50类似。

图3 ATP/g-C3N4-0.5的XPS谱图

(a) Wide scan; (b) C 1s; (c) N 1s; (d) O 1s; (e) Si 2p

图4 g-C3N4(a)和ATP(b)的SEM照片; ATP/g-C3N4-0.50的SEM照片(c)和EDAX图谱(d)

通过TG/DSC手段确定复合物中g-C3N4的含量。如图5所示, 从TG/DSC曲线上可以看出纯凹凸棒石的失重率比较低, 仅为10%左右, 这主要来自于凹凸棒石中吸附水、结晶水的挥发和高温分解; 纯g-C3N4失重率几乎为100%, 从400 ℃开始分解, 至750 ℃分解完全, 全部转化为无机小分子, 这与其有机聚合物性质相一致; 对于ATP/g-C3N4-0.5, 其失重率为53%, 与其50%的负载量基本一致, 但其分解温度较纯相的g-C3N4明显降低, 至550 ℃时失重完全, 而且放热量大幅增加, 说明经过共价键与凹凸棒石链接以后, 表面的g-C3N4薄层化学活性得到明显增强, 与其后续的电催化性能提高相对应。其他比例的复合材料结果与此类似, 不再赘述。

表1给出了每个样品的比表面积, 从表中可以看出, ATP/g-C3N4的比表面积远大于纯g-C3N4(8.821 m2/g), 而且随着凹凸棒石量的增加, ATP/g-C3N4的比表面积逐渐增大。这是由于载体凹凸棒石具有较大的比表面积(190.8 m2/g), 而且g-C3N4被剥离为薄层, 均匀负载在凹凸棒石表面, 使得 g-C3N4比表面积大幅增大, 这是影响电催化性能的一个重要因素。

图5 不同样品的TG (a)和DSC (b)曲线

表1 各样品的比表面积

2.2 电催化析氧性能研究

为了验证不同组成ATP/g-C3N4复合材料以及ATP和g-C3N4机械混合物(Mechanical mixture)的催化性能, 在0.1 mol/L KOH溶液中测试了电解水析氧性能。图6是催化材料的循环伏安曲线, 电极在循环过程均表现出闭合的曲线, 说明制备的材料具有良好的电化学可逆性。

图7(a)为不同比例复合材料及机械混合物析氧电极的极化曲线(LSV), 可以看出不同样品都有一定程度的氧化峰, 具有一定的氧化性能, 但相比而言, ATP/g-C3N4复合电极均比机械混合物强。图7(b)比较了ATP/g-C3N4复合电极与纯相g-C3N4电极, 发现ATP/g-C3N4复合电极虽然起峰电位相近, 但是在相同电位下的电流密度明显增大, 当电势为1.7 V时, ATP/g-C3N4复合电极的电流密度远大于纯相g-C3N4电流密度, 表明其催化性能得到了明显提高。这是由于g-C3N4负载于凹凸棒石表面之后, 不仅增大了电极的比表面积, 增加了电活性位点, 而且由于g-C3N4和ATP之间存在的Si–O–C键合, 有助于电子传输, 进一步提高了析氧性能。图7(c)比较了不同比例ATP/g-C3N4-复合材料的析氧性能, 如表2所示, 可以发现催化材料在电流密度为10 mA/cm2下的析氧过电位并不相同, 表明随着ATP比例的增加, 复合材料的析氧性能也发生了变化。如图7(d)所示, 过电势随着ATP比例的增加先降低后升高, 其中ATP/g-C3N4-0.50 的复合电极在10 mA/cm2电流密度下的析氧过电位为410 mV, 说明在此比例下的ATP/g-C3N4电子传输距离最短, 传输效率最大, 具有最佳的析氧性能。其它比例的复合材料可能由于氮化碳过多造成团聚或者凹凸棒石量过多影响其电催化析氧性能。

图6 催化材料的循环伏安曲线

图7 不同比例ATP/g-C3N4复合材料及机械混合物的LSV图(a), g-C3N4与ATP/g-C3N4的LSV对比(b), ATP/g-C3N4-w的LSV图(c)和过电势趋势图(d)

表2 催化剂在10 mA/cm2下的析氧过电位E(V vs RHE)和过电势及Tafel曲线的斜率

图8为g-C3N4和不同比例的ATP/g-C3N4的Tafel曲线。Tafel斜率表示过电位随着电流密度增加的变化快慢, 数值越低代表电极的性能越好。根据这一定义结合表2, 可以发现ATP/g-C3N4-0.50的Tafel 斜率在118 mV/dec最小, 析氧性能最好; g-C3N4的Tafel斜率最大, 为155 mV/dec, 对应析氧性能最差。进一步说明了氮化碳负载在凹凸棒石表面可以大幅度提高其析氧性能, 且ATP/g-C3N4-0.50的Tafel 斜率最小, 说明材料具有作为电催化析氧材料的潜质, 与极化曲线得出了相一致的结论。

通过以上分析, 氮化碳负载于凹凸棒石表面, 增大了其比表面积, 增加了电活性点, 进而提高其电催化析氧性能。为了验证材料的晶体尺寸和比表面积是影响材料析氧催化性能的主要因素, 测试了阴极材料的EIS曲线。如图9所示, 所有电极材料的EIS曲线都由溶液电阻和电荷传递电阻组成。随着凹凸棒石与氮化碳比例的增加, 材料的电阻先减小后增加, ATP/g-C3N4-0.50具有最低的电荷传递电阻, 说明此复合比例的复合材料具有最佳的电荷传递能力, 从而促进其析氧催化性能, 也是ATP/g-C3N4-0.50具有最优异的析氧催化性能的直接原因。

图8 g-C3N4和不同比例的ATP/g-C3N4的Tafel曲线

图9 为析氧阳极材料的EIS曲线

为测试最佳复合电极的析氧稳定性, 图10给出了ATP/g-C3N4-0.50阳极在恒电势1.4 V下电解1.1´104s的曲线图, 可以看出电流在7´103s之前呈现下降趋势, 这是由于电解初期工作电极产生大量气体不能迅速得到释放, 导致电极上微孔气塞, 故电流有下降趋势; 之后基本保持在0.102 A, 说明ATP/g-C3N4-0.50复合电极在碱性溶液中作为析氧阳极有很好的电催化稳定性。上述结果显示, g-C3N4负载在凹凸棒石上形成的二维薄层材料是一种潜在的水解制氢的析氧催化剂。

3 结论

以凹凸棒石为载体, 通过原位沉积, 结合冷冻干燥、程序焙烧工艺在其表面负载g-C3N4。随后制备了一系列不同质量分数的ATP/g-C3N4。采用CV、LSV、Tafel和EIS等手段研究在0.1 mol/L KOH电解液中进行电催化析氧反应(OER)。研究发现ATP/g-C3N4复合电极比g-C3N4电极有更低的析氧过电位, 高的析氧性能, 表明g-C3N4负载于凹凸棒石形成了薄层材料, 增大了比表面积, 增加了表面活性位点, 减少了电子的输送距离, 因此其析氧能力得到较大的提高。通过比较不同比例ATP/g-C3N4, 发现ATP/g-C3N4-0.50具有更优的析氧性能, 在 10 mA/cm2电流密度下, 析氧过电位为410 mV, 塔菲尔斜率为118 mV/dec, 并具有较好的析氧稳定性。

图10 ATP/g-C3N4-0.50恒电势电解的I-t 曲线

[1] 许炜, 陶占良, 陈军. 储氢研究进展. 化学进展, 2006, 18(2): 200–210.

[2] SPACIL H S, TEDMON C S. Electrochemical dissociation of water vapor in solid oxide electrolyte cells., 1969, 116(12): 1618.

[3] 丁福臣, 易玉峰. 制氢储氢技术. 化学工业出版社, 2006.

[4] SINGH R N, SINGH A, ANINDITA. Electrocatalytic activity of binary and ternary composite films of Pd, MWCNT and Ni, Part II: Methanol electrooxidation in 1 M KOH., 2009, 34(4): 2052–2057.

[5] LU B, CAO D, WANG P,Oxygen evolution reaction on Ni-substituted CoO nanowire array electrodes., 2011, 36(1): 72–78.

[6] BENNETT L H, CUTHILL J R, MCALISTER A J,Electronic structure and catalytic behavior of tungsten carbide., 1974, 184(4136): 563.

[7] CHEN Z, HIGGGINS D, YU A,A review on non-precious metal electrocatalysts for PEM fuel cells., 2011, 4: 3167–3192.

[8] MORALESGUIO C G, STERN L A, HU X. Nanostructured hydrotreating catalysts for electrochemical hydrogen evolution., 2014, 43(18): 6555–6569.

[9] CHU ZENG-YONG, YUAN BO, YAN TING-NAN. Recent progress in photocatalysis of g-C3N4., 2014, 29(8): 785–794.

[10] WANG X, MAEDA K, CHEN X,Polymer semiconductors for artificial photosynthesis: hydrogen evolution by mesoporous graphitic carbon nitride with visible light., 2009, 131(5): 1680–1681.

[11] CHEN X, JUN Y S, TAKANABE K,Ordered mesoporous SBA-15 type graphitic carbon nitride: a semiconductor host structure for photocatalytic hydrogen evolution with visible light., 2009, 21: 4093.

[12] ZHANG J, GRZELCZAK M, HOU Y,Photocatalytic oxidation of water by polymeric carbon nitride nanohybrids made of sustainable elements., 2012, 3(2): 443–446.

[13] WANG X, CHEN X, THOMAS A,Metal-containing carbon nitride compounds: a new functional organic–metal hybrid material., 2010, 21(16): 1609–1612.

[14] CHEN X, ZHANG J, FU X,Fe-g-C3N4-catalyzed oxidation of benzene to phenol using hydrogen peroxide and visible light., 2009, 131(33): 11658– 11659.

[15] LIU G, NIU P, SUN C,Unique electronic structure induced high photoreactivity of sulfur-doped graphitic C3N4., 2010, 132(33): 11642–11648.

[16] SHI QI, LEI YONG-PENG, WANG YING-DE,preparation and electrocatalytic oxygen reduction performance of N-doped graphene@CNF., 2016, 31(4): 351– 357.

[17] 王悦, 蒋权, 尚介坤, 等. 介孔氮化碳材料合成的研究进展. 物理化学学报, 2016, 32(8): 1913–1928.

[18] 王芳, 刘俊华, 殷元骐, 等. 凹凸棒凸负载铂催化剂上对氯硝基苯的高活性高选择性液相加氢反应. 物理化学学报, 2009, 25(8): 1678–1682.

[19] 高旭升, 刘光, 史沁芳, 等. 钴铁双金属氧化物多孔纳米棒的制备及其电解水析氧性能. 无机化学学报, 2017, 33(4): 623–629.

[20] LIU L, QI Y H, HU J S,Efficient visible-light photocatalytic hydrogen evolution and enhanced photostability of core@shell Cu2O@g-C3N4octahedra., 2015, 351: 1146–1154.

[21] WANG X C, MAEDA K, THOMAS A,A metal-free polymeric photocatalyst for hydrogen production from water under visible light., 2009, 8(1): 76–80.

[22] CAO K T, JIANG Z Y, ZHANG X S,Highly water-selective hybrid membrane by incorporating g-C3N4nanosheets into polymer matrix., 2015, 490(15): 72–83.

[23] ZHOU S Y, XUE A L, ZHANG Y,Novel polyamidoamine dendrimer-functionalized palygorskite adsorbents with high adsorption capacity for Pb2+and reactive dyes., 2015, 107(6): 220–229.

[24] ZHAO H X, CHEN S, QUAN X,Integration of microfiltration and visible-light-driven photocatalysis on g-C3N4nanosheet/ reduced graphene oxide membrane for enhanced water treatment., 2016, 194(5): 134–140.

[25] YU H W, YANG S S, RUAN H M,Recovery of uranium ions from simulated seawater with palygorskite/amidoxime polyacrylonitrile composite., 2015, 111(s4-6): 67–75.

Attapulgite/g-C3N4Composites: Synthesis and Electrocatalytic Oxygen Evolution Property

ZHANG Sheng, JIANG Yi, JI Yuan-Yuan, DU Ying, SHENG Zhen-Huan, YIN Jing-Zhou, LI Qiao-Qi, ZHANG Li-Li

(Jiangsu Environmental Engineering Laboratory, Jiangsu Key Laboratory for Low-dimension Materials, School of Chemistry and Chemical Enginering, Huaiyin Normal University, Huaian 223300, China)

A novel kind of electrocatalytic oxygen evolution catalyst was fabricated by introducing g-C3N4ultrathin films onto the surface of attapulgite (ATP)a simpledepositing technique, combined with freeze-drying and programmed roasting process. The obtained product was identified as ATP/g-C3N4. In order to achieve the best catalyst, a series of ATP/g-C3N4composites with different mass fraction of ATP were obtained and marked as ATP/g-C3N4-whererepresents the mass fraction of ATP (=ATP: (ATP +g-C3N4)= 0.33, 0.40, 0.50, 0.67). Results show that g-C3N4thin layersare uniformly loaded onto the ATP surfacethe chemical bond (Si–O–C), which is beneficial to tailor the surface electronic structure of g-C3N4and provide more active sites. Their electrocatalytic oxygen evolution properties in 0.1 mol/L KOH were investigated. It is found that ATP/g-C3N4-0.50 presents the best oxygen evolution catalytic performance and has excellent oxygen evolution stability. Its oxygen evolution over potential is 410 mV and the Tafel slope is 118 mV/dec at a current density of 10 mA/cm2. The results suggest that ATP/g-C3N4-0.50 can be used as a potential oxygen evolution catalyst.

attapulgite; g-C3N4; electrocatalysis; oxygen evolution reaction

O469

A

1000-324X(2019)08-0803-08

10.15541/jim20180373

2018-08-15;

2018-10-09

国家自然科学基金(51472101); 江苏省六大人才高峰项目(JY-31); 江苏省自然科学基金(BK20161305); 江苏省高校大学生创新计划(201710323004Z)

National Natural Science Foundation of China (51472101); The Big Six-talent project of Jiangsu Province (JY-31), Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20161305); Undergraduate Innovation Program of Jiangsu Province (201710323004Z)

张盛(1996–), 男, 硕士研究生. E-mail: 545590570@qq.com

张莉莉, 教授. E-mail: zll@hytc.edu.cn