Модификация нанотрубок TiO2 графеном

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22577 (2022) Цитировать эту статью

2465 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В настоящей работе мы показываем, что модификация нанотрубок TiO2 графен-стронцием и перовскитом молибдата кобальта может превратить их в активные электрокатализаторы реакции выделения водорода (HER). С этой целью был разработан простой метод гидротермального синтеза перовскитов непосредственно на подложке из нанотрубок TiO2. Кроме того, полученные гибриды были также декорированы оксидом графена (ГО) в ходе одностадийного гидротермального синтеза. Полученные материалы были охарактеризованы методами сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным рентгеноструктурным анализом, рамановской спектроскопией и рентгеноструктурным анализом. Каталитические свойства проверяли электрохимическими методами (линейная вольтамперометрия, хронопотенциометрия). Полученные гибриды характеризовались значительно лучшими каталитическими свойствами в отношении реакции выделения водорода по сравнению с TiO2 и несколько хуже, чем у платины. Оптимизированный гибридный катализатор (украшенный GO) может обеспечить плотность катодного тока 10 мА см-2 при перенапряжении 121 мВ для HER с небольшим тафелевским наклоном 90 мВ дек-1 в 0,2 М H2SO4.

Реакция выделения водорода (HER) является важнейшей реакцией расщепления воды. По-прежнему необходимо синтезировать недорогие электрокатализаторы HER эффективным, простым и экологически безопасным способом. Разработка соответствующей структуры ядро-оболочка катализатора и контроль ее формы влияют на активность и долговечность катализатора1. Трехмерная структура катализатора полезна для обнажения поверхности и создания активных центров, а также способствует диффузии и адсорбции молекул водорода, ускоряя процесс HER2, 3. Кроме того, трехмерная структура катализатора влияет на эффективность реакции выделения кислорода4. Иерархическая наноструктура ядро-оболочка катализатора, состоящая из множества проводящих взаимосвязанных сетей, обеспечивает множество каналов для доставки ионов или электронов5. Обработанный плазмой губчатый наносплав демонстрирует высокие характеристики HER за счет обнажения более активных и краевых участков6. Помимо структуры катализатора, еще одним фактором, влияющим на свойства катализатора, является его легирование, например, гетероатомами азота7. По сравнению с известным и дорогим платиновым катализатором, TiO2 широко используется в качестве альтернативного катализатора. Однако для усиления электрокаталитической активности TiO2 необходимы различные модификации. В некоторых работах TiO2 сочетался с такими металлами, как никель8, рутений9, 10, золото11, кобальт12, оксидами металлов, такими как Co3O413, BiVO414, или металлоорганическими каркасами15. Очень перспективными материалами, разработанными с использованием TiO2 для катализа ГЭР, являются сульфиды металлов, например MoS216,17,18,19, CoS220 или WS221. Кроме того, гибридные композиты с такими полимерами, как пористый органический полимер на основе труксена22 или поли(анилин)23, поли(о-фенилендиамин), поли(тиофен) или поли(пиррол)24, оказались желательными кандидатами для усиления фотокаталитической активности TiO2. . Другим способом модификации свойств электрокатализатора является легирование неметаллами. Как описано во многих статьях, легирование серой, азотом или углеродом уменьшает запрещенную зону TiO225,26,27. Другой способ улучшения свойств был описан Pandey et al. где в теоретических предсказаниях была исследована гибридная структура ионной жидкости трифторметансульфоната 1-этил-3-метилимидазолия и нанокластеров (TiO2)n (с n = 2–12) в поисках новых каталитических материалов для эффективного HER28. Кроме того, гибриды TiO2 и углеродных материалов, таких как оксид графена13, 29 и многостенные углеродные нанотрубки30. Описанные в литературе нанокомпозиты оксида графена с металлоорганическим каркасом также оказались эффективными электрокатализаторами получения водорода по механизмам Фольмера и Хейровского31. Недостатком многих решений остается легирование дорогими металлами, такими как серебро, платина29. Поэтому важно найти новые решения, но без дорогостоящих металлов и простые в приготовлении.