1、2023 年 第 6 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 488 期 209 PANI/Co-Fe LDHs/NF 的合成及的合成及 电催化分解水产氧物理化学综合实验设计电催化分解水产氧物理化学综合实验设计 刘荣梅*，桂大祥，沈凤翠(安徽工程大学 化学与环境工程学院，安徽 芜湖 241000)摘 要本文设计了一个 PANI/Co-Fe LDHs/NF 的合成及电催化分解水产氧物理化学综合实验，该实验涉及电催化剂的合成、表征及电催化性能测试等方面。通过该综合性实验的开放式教学，将电催化水分解这一化学前沿研究领域引入到我校应用化学拔尖班的本科实验教学中，使学生学习专业知识以及实验仪器操作的同时
2、，进一步提高学生的创新能力和科研素养，促进应用化学拔尖创新人才脱颖而出。以典型的水分解电催化剂 PANI/Co-Fe LDHs/NF 为例，采用恒电压电沉积的方法，在泡沫镍导电基底上合成了 PANI/Co-Fe LDHs/NF 纳米复合材料。利用 X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段对 PANI/Co-Fe LDHs/NF 进行表征。通过电催化分解水产氧实验，PANI/Co-Fe LDHs/NF 在 10 mAcm-2的过电势仅为 240 mV，并且具有优异的稳定性，显示了该材料在电化学水分解领域具有潜在的应用前景。关键词物理化学实验；电催化；产氧；PANI/Co-Fe LDH
3、s/NF；电沉积 中图分类号G642.423 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)06-0209-04 Design a Comprehensive Experiment of Physical Chemistry for Preparation of PANI/Co-Fe LDHs/NF and Electrocatalytic Water Decomposition for Oxygen Production Liu Rongmei*,Gui Daxiang,Shen Fengcui(School of Chemical and Environmental Engineer
4、ing,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)Abstract:In this paper,a comprehensive experiment of physical chemistry on the synthesis of PANI/Co-Fe LDHs/NF and the electrocatalytic water decomposition for oxygen production is designed.The experiment involves the synthesis,characterization and
5、electrocatalytic performance test of PANI/Co-Fe LDHs/NF.Through the open teaching of the comprehensive experiment,the frontier research field of electrocatalytic water decomposition is introduced into the undergraduate experimental teaching of the top class of Applied Chemistry in our university,so
6、that students can further improve their innovation ability and scientific research literacy while learning professional knowledge and experimental instrument operation,and promote the top innovative talents of Applied Chemistry to come to the fore.Taking PANI/Co-Fe LDHs/NF as an example,which was sy
7、nthesized by potentiostatic method and characterized by XRD,SEM etc.The overpotential of PANI/Co-Fe LDHs/NF is only 240 mV at 10 mAcm-2 and it has excellent stability.The result shows that this electrocatalytic material has potential application prospects in the field of electrochemical water splitt
8、ing.Keywords:physical chemistry experiment；electrocatalyst；OER；PANI/Co-Fe LDHs/NF；electrodeposition 根据教育部“基础学科拔尖学生培养试验计划”的文件精神，结合我校化学学科的发展现状，我校于 2016 年启动了“化学拔尖学生培养计划”(以下简称“应用化学拔尖班”)。提出了“培养热爱化学事业、数理外语基础及化学专业基础知识厚实、实验技能扎实、具有较强的创新能力、有志于从事化学及相关领域科学研究或开发应用研究的拔尖创新人才，并为 985及 211 院校、中国科学院科研院所等培养单位的化学和相关学科输送
9、继续攻读硕士学位的优质生源”。的培养目标。基于拔尖班的培养目标，不仅对其理论教学提出了高的要求，而且对于实验教学也有更高的要求，也给授课老师们提出了更大的挑战，必须进一步改变实验教学观念，更新实验教学方法，既要传承基础实验知识，又要构建人才培养和知识创新的环境1。物理化学实验是一门理论性、实践性、综合性、研究性很强的课程，是需要综合运用物理和化学的原理及技术、仪器、方法及数学运算工具等多方面知识的课程2-3。应用化学拔尖班专业的培养方案更加注重科研工作相关的思维训练和学生创新实践能力的培养，因此，在传统物理化学实验基础上，把一些物理化学前沿课题以具有创新性的综合性实验项目的形式展现给学生，培养
10、学生通过查阅文献，利用先进的技术手段设计创新性综合实验。本文引入前沿课题电催化分解水产氧的研究，有助于提高学生综合实验能力，培养学生创新能力及科研素养。开设物理化学综合实验，对锻炼本科阶段的学生理论与实践相结合有着重要意义。在物理化学实验中，可以充分调动学生自身积极性，利用已具备的化学理论知识、实验技能进行材料的合成制备、分离提纯、表征检测等操作，激发学生勇于探索勤于思考的精神，培养学生的创新意识与创新能力，使学生们以后在各类与物理化学相关的交叉学科中，既有实用性的技术能力与准确的规范要求，又具有独到的前瞻性眼光和独立思考的创新能力。开展此类实验，也为未来培养从事科研、产品开发、教学等各类精英
11、人才发挥着极其重要的作用。1 实验设计背景实验设计背景 环境污染和化石燃料短缺正促使人们去寻找绿色清洁能源并设计出高效的能源储存和转换装置。电化学水分解是一种通过制取氢气从而将这些绿色清洁能源转化为理想化学能的重要方法。电化学水分解过程包括析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。其中由于 OER 过程具有过电势大、动力学过程缓慢等缺点，从而成为制约电化学水分解的主要因素。因此发展一种高活性且稳定的析氧电催化剂以实现高效、经济的水电解，对改善生态环境、促进经济发展等方面具有极其重要的意义。过渡金属基催化剂价格低廉，含量丰富，使得该材料成为研究热点。近年来，得益于优异的电催化活性、丰富的储量和可调
12、的电子结构等特性，过渡金属层状双金属氢氧化物(LDHs)作为电化学水分解的催化剂得到了研究者们的持续关注。LDHs 是一类典型的二维层状电催化材料。这种层状结构使收稿日期 2022-08-29 基金项目 安徽工程大学本科教育教学研究项目(2021jyxm40，2020jyxm22)作者简介 刘荣梅(1979-)，女，河南安阳人，教授，主要研究方向为功能纳米材料的控制合成及电化学性能研究。*为通讯作者。广 东 化 工 2023 年 第 6 期 210 第 50 卷 总第 488 期 LDHs 具有更快的离子传输速率和更高的比表面积，从而能够显著地提高 LDHs 电极的电催化性能，促进了 LDHs
13、 在电催化水分解方面的应用4。但是其低的固有电导率和较小的自由载流子密度依然严重制约着单纯 LDHs 的电化学性能。同时，由于团聚等原因的影响，其电子/质子的传输将受到极大地阻碍，而且催化活性中心的数量也将会得到极大地削弱。而解决这一问题的一种有效方法就是将其负载到导电聚合物上。作为一种导电聚合物，聚苯胺(PANI)具有良好的导电性5。此外，由于其独特的 共轭结构，PANI 还具有良好的亲水性和电化学稳定性。本综合实验即从材料的化学组成、形貌结构与其电催化性能之间的构效关系进行研究，采用恒电压电沉积的方法，在泡沫镍基底上合成了 PANI/Co-Fe LDHs/NF 纳米复合材料。采用XRD、S
14、EM 等对其结构、形貌以及组成进行表征，并通过电催化分解水产氧(OER)研究其电催化性能。通过本实验，不仅可使同学们了解和掌握材料的基本制备、表征和电催化产氧性能研究的方法，还能熟悉相关的概念和理论知识，增强学习、分析和解决问题的能力，提高学生的科研兴趣和创新能力。2 实验部分实验部分 2.1 实验目的(1)巩固电化学理论知识。(2)了解电催化水分解的工作原理。(3)掌握水热法制备 CoFe-LDHs 材料的方法。(4)熟练掌握材料表征和性能测定的原理和方法。(5)激发学生了解并探索制备相关同类新型材料。2.2 实验原理 电极上的 OER 反应是在较正的电位区进行，此时电极上常伴有氧化物的生长
15、过程，而氧化物层的氧原子直接参与了反应。OER 反应涉及到三种不同的中间产物，即 O*、OH*和OOH*。在酸性和碱性条件下其反应过程将有所差异。虽然迄今为止，已经有很多的 OER 反应机理被提出来，但他们都围绕着上述三种中间产物而展开6。目前，OER 的公认反应机理如下所示7：在酸性介质中：在碱性介质中：其中 M 代表金属元素，在不同的电解质中均能产生金属-氧(M-O)中间体，该中间体可通过两种不同的方式形成 O2。第一种，两个 M-O 中间体结合产生 O2。另一种是 M-O 先形成M-OOH 中间体，再形成 O2。在 OER 过程中，中间产物 M-OOH和 M-OH 之间的能量状态被作为评
16、价电催化剂活性的一个指标。根据 Sabatier 原理，当电催化剂表面与 O 的成键强度太弱时，不易形成中间产物 M-OH；当电催化剂表面与 O 的成键强度太强时，不利于 M-OH 进一步反应生成 M-OOH，只有电催化剂表面与O的成键强度适中才有利于提高 OER 电催化活性8。2.3 试剂或材料 苯胺单体(AN，AR，阿拉丁试剂有限公司)、硫酸(H2SO4，AR，国 药 集 团 化 学 试 剂 有 限 公 司)、六 水 合 氯 化 钴(CoCl26H2O，AR，阿拉丁试剂有限公司)、七水合硫酸亚铁(FeSO47H2O，AR，阿拉丁试剂有限公司)、氢氧化钾(KOH，AR，国药集团化学试剂有限公司)、泡沫镍(NF，太原力之源科技有限公司)、无水乙醇(C2H5OH，AR，国药集团化学试剂有限公司)、去离子水。2.4 仪器和表征方法 样品的物相结构通过德国Bruker X射线粉末衍射仪(D8Fous，Cu K)的X射线衍射(XRD)技术进行测定，=0.1541 nm，扫描范围是 580。使用扫描电子显微镜(SEM，Hitachi S-4800)在15 kV 的工作电压下对样品的形貌、结构及分
