Please enable JavaScript.
Coggle requires JavaScript to display documents.
Efficient electrocatalysis for oxygen evolution: W-doped NiFe nanosheets…
Efficient electrocatalysis for oxygen evolution: W-doped NiFe nanosheets with oxygen vacancies constructed by facile electrodeposition and corrosion
- Vật liệu và quy trình chế tạo
1.1.
- Tên vật liệu: NiFeW3-LDHs Hidroxit lớp kép Nickel-Fe pha tạp Vonfram chứa khuyết tật lỗ trống Oxy mọc trực tiếp trên bọt Nickel
- Thành phần :
- Mẫu NiFeW3-LDHs có tỷ lệ mol kim loại Ni58Fe30W12 trong đó 58%Ni, 30% Fe, 12% W và phát triển trên khung bọt niken NF
- Hóa trị : gồm Ni^2+/ Ni^3+, Fe^3+, W^6+, các nhóm M-OH, H2O, anion xen kẽ CO3 ^2- và mật độ khuyết tật lỗ trống Oxy-Vo
-
1.3 Sơ đồ các bước:
- Làm sạch đế bọt Nickel NF: Xử lý tuần tự bọt niken kích thước 20mm x 20mm x0,42mm trong dung dịch HCl 2 M, ethanol và nước khử ion trong 10 phút để loại bỏ oxit bề mặt
- Lắng đọng điện hóa NiFe-LDH: Sử dụng hệ 3 điện cực trong dung dịch chứa 9mM Ni(NO3)2.6H2O và 3mMFe(NO3)3.9H2O. Áp dòng catot không đổi 2mAcm^-2 trong 1 giờ, sau đó rửa và sấy khô ở 60 độ CC trong 12 giờ thu được NiFe-LDHs nguyên bản
1.4. Các hoạt chất chính và vai trò
- Ni(NO3)2.6H2O và Fe(NO3)3.9H2O: Nguồn cung cấp các cation kim loại Ni2+ và Fe3+ hình thành nên bộ khung cấu trúc hidroxit lớp kép NiFe-LDHs
- WCl6: vai trò kép vừa là tác nhân ăn mòn khắc bề mặt tạo cấu trúc lỗ xốp nano, vừa là nguồn nguyên tố Vonfram WW6+ pha tạp và kích thích tạo khuyết tật lỗ trống Oxy
- Axit HCl 2 M, ethanol, nước cất/nước khử ion: Làm sạch đế bọt niken và loại bỏ muối dư sau phản ứng
1.5. Đặc điểm hình thái vật liệu
- Cấu hình lỗ xốp nano 3D : Bề mặt xuất hiện các lỗ xốp nano đồng đều với kích thước đa dạng, mở rộng diện tích tiếp xúc dung dịch điện phân
- Cấu trúc lai pha đa tinh thể/pha vô định hình : Ảnh HRTEM và SAED chứng minh mẫu gồm các vùng đa tinh thể có đường vân mạng tinh thể song song với các vùng vô định hình chứa mật độ cao các vị trí phối trí chưa bão hòa
- Thí nghiệm và kết quả điện hóa
-
2.2.Dung dịch điện ly và môi trường
- Dung dịch điện ly: KOH 1 M9.
- Môi trường: Kiềm mạnh với pH=14
-
- Đánh giá hoạt tính và độ bền
3.1. Đồ thị hoạt tính điện xúc tác LSV
- Trục hoành X biểu diễn điện thế V so với điện cực RHE (V vs. RHE)
- Trục tung Y biểu diễn mật độ dòng i hoặc j(mAcm^-2)
3.2 Đánh giá hoạt tính
- Các chỉ tiêu đánh giá mẫu NiFeW3-LDHs:
+) Quá thế n10: 211mV, n100: 256mV
+) Độ dốc Tafel b: 36,44mVdec^-1
+) Mật độ dòng trao đổi j0: 2,34x10^-3 Acm^-2
+) Năng lượng hoạt hóa Ea: 24,66 kJmol^-1
+) Điện dung lớp đôi Cdl: 22,11 mFcm^-2
3.3 Các mẫu so sánh
- Các mẫu so sánh : NiFe-LDHs nguyên bản, NiFeW1-LDHs, NiFeW5-LDHs, Bọt niken NF, RuO2 thương mại, NiFeCr-LDHs, và NiFeMo-LDHs
- NiFeW3-LDHs là mẫu tốt nhất vì : Có quá thế nhỏ nhất ở cả mật đồ dòng thấp và cao và vượt trội hơn cả xúc tác kim loại quý RuO2, có độ dốc Tafel nhỏ nhất và điện trở truyền điện tích Rct nhỏ nhất
3.4. Đánh giá độ bền
- Phương pháp : kiện: Đo dòng cố định ở mật độ dòng 10mAcm^-2 duy trì liên tục trong hơn 120 giờ trong dung dịch KOH 1 M, kết hợp thử nghiệm 5000 chu kỳ CV
- Kết quả : Đường cong quá thế giữ phẳng suốt 120 giờ, đường phân cực LSV trước và sau 5000 chu kỳ CV gần như trùng khít, hiệu suất Faraday sản xuất O2 đạt gần 100%
3.5. Cải thiện hoạt tính
- Pha tạp W hóa trị cao: XPS chứng minh đỉnh Ni 2p dịch chuyển dương +0,3 eV và Fe 2p dịch chuyển +0,2eV, khẳng định electron chuyển dời từ Ni, Fe sang W, nâng cao trạng thái hóa trị của Ni/Fe
- Khuyết tật lỗ trống oxy Vo: Tỷ lệ diện tích đỉnh Vo trên phổ XPS đạt 39,6% ở NiFeW3-LDHs so với 33.1% của NiFe-LDHs . Vo giúp kéo tâm dải d và O 2p về gần mức Fermi, hạ thấp rào cản thế điện năng của bước RDS từ 1,92eV xuống 1,82eV
- Điều tiết năng lượng hấp phụ theo Nguyên lý Sabatier: Sự tương tác điện tử Ni-O-Fe-O-W biến đổi lực liên kết quá yếu của Ni/Fe với các chất trung gian Oxy thành lực liên kết vừa phải tối ưu
4.2 Độ dốc Tafel
- Trục X biểu diễn log(i) (log(mAcm^-2)), trục Y biểu diễn quá thế (mV)
- Đơn vị hệ số Tafel: mVdec^-1
- Mẫu có hệ số góc nhỏ nhất: Mẫu NiFeW3-LDHs có hệ số góc nhỏ nhất => chứng tỏ khi tăng mật độ dòng thêm 10 lần, NiFeW3-LDHs chỉ cần tốn thêm 36,44mV quá thế, thể hiện động học truyền electron cực nhanh và chuyển đổi năng lượng hiệu quả
4.1 LSV - Đường cong phân cực
4.3 Phổ tổng trở điện hóa EIS
- Trục X biểu diễn phần thực của tổng trở Z', Trục Y biểu diễn Phần ảo của tổng trở -Z''
- Mẫu có cung bán nguyệt nhỏ hơn: Mẫu NiFeW3-LDHs có bán kính cung bán nguyệt nhỏ nhất trong biểu đồ Nyquist
- Ý nghĩa của Rct: là điện trở truyền điện tích tại giao diện bề mặt xúc tác và dung dịch điện phân
- Kết luận : Bán kính cung bán nguyệt càng nhỏ tương ứng với giá trị Rct càng nhỏ => NiFeW3-LDHs có độ dẫn điện cao vượt trội và rào cản truyền electron tại giao diện phản ứng là thấp nhất
4.4 Đánh giá độ bền
- Chế độ đo: Chế độ giữ dòng cố định
- Thời gian & điều kiện đo: Giữ dòng 10mAcm-2 liên tục trong 120 giờ trong dung dịch KOH 1 M
- Thay đổi tín hiệu: Đồ thị thế-thời gian (E-t) biến thiên dạng một đường thẳng nằm ngang phẳng, không có hiện tượng tăng quá thế theo thời gian, khawrg định tính bền vững cơ học và điện hóa xuất sắc của chất xúc tác trong môi trường kiềm mạnh