石油焦基炭材料及其作为电解Bunsen反应产物阳极的应用

王嘉伟1,2,鲍卫仁1,常丽萍1,王 辉1,张 珂1,李晓玲1

(1.太原理工大学 煤科学与技术省部共建国家重点实验室培育基地,太原 030024;2.山西大学 环境与资源学院,太原 030006)

摘 要:选用4种不同硫含量的石油焦为原料,经过KOH活化制备氮、硫双掺杂炭材料,对其微观形貌、石墨化程度、孔径结构和表面元素状态等进行了表征分析;制得的石油焦基炭材料用于HI(1 mol/L)+H2SO4(0.5 mol/L)(Bunsen反应产物)溶液电解阳极,通过循环伏安、线性扫描和交流阻抗等电化学测试,考查了其电催化I-氧化生成的电化学性能。探讨氮、硫原子掺杂和孔结构对I-氧化的作用,得出N提供主要活性位,吡啶氮可作为最佳电催化活性中心,较高的杂原子含量有助于提高材料的电化学性能。较多的介孔有助于半径较大的从电极到溶液的溶解和扩散,降低阻抗增加电化学活性。优选出最佳性能的材料为原料硫含量4.6%(质量分数)的石油焦制备的炭材料。

关键词:电解;炭材料;活化;掺杂;碘离子

氢(H2)具有高能量密度和零污染的特点,是最有希望替代化石能源的清洁能源。实现氢能的可再生利用,水分解制氢是最为可行的技术路线。水分解制氢有光分解制氢、电解制氢、热化学循环制氢等不同方法。在热化学制氢中,碘硫循环制氢因为其热效率高、成本低,被认为最有工业化前景[1]。典型碘硫循环制氢包含3步反应:Bunsen反应:SO2+I2+2H2O→2HI+H2SO4;②氢碘酸分解反应:2HI→H2+I2;③硫酸分解反应:2H2SO4→SO2+H2O+0.5O2;总反应为:H2O→H2+0.5O2.第二步反应是获得氢气的直接步骤,是整个循环反应的关键过程,涉及到Bunsen反应产物氢碘酸和硫酸分离、氢碘酸纯化和热分解等工艺。其中Bunsen反应产物HI和H2SO4分离是最困难的,传统方法需要在反应阶段使用过量反应物I2和H2O以形成不混溶的氢碘酸相和硫酸相产物,并且在高于I2熔点(368 K)的温度下反应,反应与分离过程需消耗大量能量[2]。课题组提出将I2溶解于甲苯在室温下进行Bunsen反应后直接电解Bunsen反应产物(HI/H2SO4混酸)生成H2和I2,避免混酸分离步骤及反应物过量的问题,也省去了后续HI纯化分解过程[3-4]。目前,已对电解反应的特征进行了分析[5],自行开发连续电解装置并研究了电解过程[6],初步实现了混酸分离和HI分解。电解池阳极部分实现I-氧化生成I2,不同类型电极材料,有着不同的表面特性、抗腐蚀性能、机械强度、电导率、电催化活性等性质[7],影响电化学氧化过程的电流密度、电流效率、电极寿命等[8-9]

前期电解反应主要以铂为电极材料,但铂电极造价高昂,在HI+H2SO4混酸溶液中易腐蚀[10-11]。I-有着半径较大、腐蚀性强、产物溶解度低等特点,急需针对这些特点开发成本低且性能良好的非贵金属电极。除石墨和碳布电极外[8-9,12],对电催化氧化I-的非贵金属电极材料鲜有报导。而商业石墨和碳布电极亲水性较差,比表面积小、电化学活性较低。本研究采用四种石油焦为原料,制备亲水性和电催化活性良好的多孔炭材料,应用于HI和H2SO4混酸中I-电催化氧化,开发新型炭基电极材料。石油焦含碳量高,含有氧、氮、硫等各类杂原子,通过合理的活化操作,可产生发达的孔隙结构,同时将本身的氮、硫杂原子进行有效利用,在不另外加入氮源、硫源的条件下直接制得氮硫双掺杂的多孔炭基材料。考察对比各材料电催化氧化I-的反应特性,探讨了孔径结构和杂原子掺杂等对电催化性能的影响,并优选出最佳原料。

1 实验

1.1 材料的制备

选取硫含量(质量分数)为1.1%、2.3%、4.6%和7.3%的4种石油焦(分别为山东炼油厂、加拿大某炼油厂生产),采用氢氧化钾(分析纯,天津科密欧化学试剂有限公司生产)活化法活化,碱焦质量比为1∶1,升温速率为5 ℃/min,在N2保护下800 ℃活化2 h,所得产物洗涤过滤干燥[13]。不同含硫量(含硫质量分数依次为1.1%、2.3%、4.6%和7.3%)石油焦活化后的炭材料分别命名为S1A-PC、S2A-PC、S4A-PC、S7A-PC.

1.2 材料表征方法

不同含硫量石油焦基炭材料利用XRD、SEM、XPS、碳硫分析仪和N2吸附仪进行物理化学性质表征。X射线衍射分析采用日本理学生产的Rigaku Mini flex 600粉末型X射线衍射仪进行分析(λ=0.154 056 nm Cu Kα射线));样品的表面元素价态及含量采用英国VG公司Escalad-250型多功能X射线光电子能谱进行分析;微观形貌由TESCAN MIRA3场发射扫描电镜进行表征;总硫含量采用上海凯德仪器有限公司的HCS-140型红外碳硫分析仪测试;比表面积、孔容和孔径等孔结构参数采用美国麦克默瑞提克公司生产的ASAP 2460型物理吸附仪测定并利用BET模型计算。

电化学分析采用普林斯顿VersaSTAT4型电化学工作站进行分析,采用三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极,对电极为1 cm×1 cm铂片电极,工作电极为修饰有各石油焦基炭材料的的玻碳电极,电解质溶液为 1 mol/L HI+0.5 mol/L H2SO4(模拟Bunsen反应产物)溶液,工作电极修饰方法见参考文献[14]。其中循环伏安曲线(CV)扫描速度50 mV/s,扫描范围-1~1 V;交流阻抗曲线(EIS)频率范围为10-2~105Hz,振幅5 mV;线性扫描伏安曲线(LSV)扫描速度为2 mV/s.

2 结果与讨论

2.1 样品的XRD、BET、SEM表征及结构特性分析

对不同硫含量活化石油焦进行XRD表征,结果如图1所示。对应于标准六方石墨结构26.6°(002)和44.4°(100)晶面的衍射峰,石油焦样品的XRD图谱在002晶面衍射角度变小为23.8°,同时两处衍射峰均较弱,认为各活化炭材料均为含有部分石墨化晶体片层的无定形炭材料。依据六方石墨平面衍射峰强度大小可知,所得样品石墨化程度从小到大依次为S2A-PC、S1A-PC、S7A-PC、S4A-PC,石墨化程度越高材料导电性越好。各材料根据布拉格方程计算得到的层间距均约为0.37 nm,比理想石墨高10%,活化形成的含氧官能团和边缘缺陷结构使石墨化程度降低[15]

图1 不同硫含量石油焦基炭材料XRD表征图
Fig.1 XRD patterns of activated petroleum coke with different sulfur content

对各不同硫含量石油焦基炭材料进行BET表征,氮气吸脱附曲线如图2所示。可知,(p/p0)<0.1时,各石油焦基材料的N2吸附量迅速上升,在0.1<(p/p0)<0.2之间,上升速度变缓并达到最大吸附量,为典型的朗格缪尔吸附Ⅰ型等温线。表1为不同硫含量活化石油焦孔结构数据,结果显示KOH活化的样品均为1 nm左右的微孔结构,比表面积从大到小依次为S7A-PC、S1A-PC、S4A-PC和S2A-PC,且S4A-PC的介孔含量最高。

图2 不同硫含量石油焦基炭材料氮气吸脱附曲线及孔径分布图
Fig.2 Nitrogen absorption and desorption curves and pore size of activated petroleum coke with different sulfur content

表1 不同硫含量石油焦基炭材料的孔结构数据表
Table 1 Pore structure data of activated petroleum coke with different sulfur content

样品SBET/(m2·g-1)Smicro/(m2·g-1)Smeso/(m2·g-1)Vtotal/(m3·g-1)Vmicro/(m3·g-1)Vmeso/(m3·g-1)Da/nmS1A-PC1 4631 3481140.610.530.081.66S2A-PC321302180.140.120.021.73S4A-PC1 0078851220.440.350.091.74S7A-PC1 4991 3781210.620.540.081.65

不同硫含量石油焦基炭材料扫描电镜图如图3所示,可以看出,KOH活化后各石油焦基炭材料经KOH刻蚀,变为大小10 nm左右的形状不规则的颗粒,表面形貌均呈现凸凹不平状,粗糙表面有利于电解质溶液与电极材料接触,减小离子扩散阻力。

图3 不同硫含量石油焦基炭材料的扫描电镜图
Fig.3 SEM images of activated petroleum coke with different sulfur content

2.2 样品的XPS表征及组成分析

掺杂炭材料的电化学活性与掺杂原子的掺杂水平、石墨碳原子与杂原子之间的化学结构、材料比表面积等有直接关联,杂原子掺杂引起石墨碳表面电子偏移和自旋密度改变,表面化学势和氧化还原特性与杂原子的掺杂形式和相对含量相关。样品的XPS全谱图如图4所示,不同材料表面元素分布见表2。从图4和表2可以看出,各材料主要含C、O、N、S四种元素。S原子化学活性比C原子更加活泼,优先和KOH发生反应,因而活化后含量降低;而N原子化学稳定性更好,活化后表面含量略有增加。N 原子的孤对电子可以改变石墨六边形结构的电荷密度分布,从而创造更多电化学活性位点[16-17],N掺杂形式分为吡啶氮(Pyridinic-N)、吡咯氮(Pyrrolic-N)和石墨氮(Graphitic-N),在N1s高分辨率谱图的峰位置分别为398.6 eV、400.5 eV和401.2 eV.对S2p高分辨率谱图分峰得到的3个峰分别对应—C—S—C、—CS和—C—SOx—的硫形态,163.9 eV和165.2 eV两处结合能对应于噻吩硫原子自旋耦合产生的2p 3/2和2p 1/2轨道。从图5和表3可以得出,S1A-PC、S2A-PC和S4A-PC材料的含氮量(原子比)均在2%左右,S4A-PC主要含吡啶氮和吡咯氮,S2A-PC主要为吡咯氮和石墨型氮,S1A-PC 三种氮含量相当。S7A-PC的表面含氮量(原子比)约为2.69%,绝大部分为石墨氮。

图4 不同硫含量石油焦基炭材料的XPS图谱
Fig.4 XPS spectra of activated petroleum coke with different sulfur content

表2 不同硫含量石油焦基炭材料表面元素分布表
Table 2 Distribution of elements on the surfaces of activated petroleum coke with different sulfur content

样品原子比/%CONSS1A-PC81.5515.722.100.64S2A-PC83.7213.671.930.68S4A-PC86.3211.341.980.36S7A-PC79.5516.832.690.93

硫在炭材料表面的结合主要在材料的边缘拓扑结构[18-19],由于其较大的离子半径,较难进入石墨晶格之间,因而掺杂硫的量少于掺杂氮。从表3可以看出,表面S含量(原子比)均小于1%,S1A-PC、S2A-PC、S4A-PC和S7A-PC表面含硫量(原子比)分别为0.64%、0.68%、0.36%和0.93%,其中—C—S—C和—CS占比分别为55%、41%、28%和45%.

(a,b)S1A-PC;(c,d)S2A-PC;(e,f)S4A-PC;(g,h)S7A-PC;(i,j)N、S掺杂结构
图5 不同含硫量石油焦基炭材料的N、S元素的XPS分峰拟合图
Fig.5 XPS peak fitting diagrams of N and S elements of activated petroleum coke with different sulfur content

表3 不同硫含量石油焦基炭材料不同形态氮和硫的含量
Table 3 Relative atomic contents of nitrogen and sulfur species in activated petroleum coke with different sulfur content

样品氮含量(原子比)/%SurfacePyridinic-NPyrrolic-NGraphetic-N硫含量(原子比)/%TotalSurface—C—S—C—C S—C—SOx—S1A-PC2.100.630.930.540.700.640.130.220.29S2A-PC1.930.390.770.771.040.680.110.170.40S4A-PC1.981.110.870.001.680.360.060.040.26S7A-PC2.690.300.002.391.900.930.220.200.52

2.3 材料作为电解HI阳极材料的电化学性能

催化氧化I-的反应可以分为下列三个步骤:

I-(Sol)→I*+e-.

(1)

2I*→I2+2* .

(2)

(3)

其中,符号*代表各活化石油焦基炭电极表面的活性位点,(sol)代表水溶液。步骤(3)中的反应在溶液中发生,较大的平衡常数使反应能够迅速达到平衡态。

不同含硫量石油焦基炭材料作为电解HI电极材料的电化学性能表征见图6.图6(a)为不同含硫量石油焦活化材料作为HI电解阳极材料的循环伏安曲线(50 mV/s扫速),正扫到0.25 V后电流陡然上升,碘单质聚集形成的碘膜完全覆盖电极表面后电流迅速降低,发生波动后基本保持平衡。与典型循环伏安曲线不同,HI氧化还原过程的正扫和反扫曲线相互交联,即电压为由1.0 V反扫至-0.3 V的过程中,反向扫描的氧化电流大于正向扫描的氧化电流。这表明存在两个相反的动力学过程:碘薄膜的形成和溶解。在两种状态下交替循环,造成电流的非线性响应,在最高点后电流起伏明显;且反扫时碘膜溶解产生的电流使体系电流大于正向扫描时的电流。电极/HI电解液界面的相变速度和电化学反应速度与离子在溶液电极附近的传质作用和导电性有关,碘膜会降低电极表面的电子转移速率,同时也会阻碍I-的扩散和相互转化。各材料的氧化峰位置与还原峰位置相差约0.19 V,远大于可逆反应0.059 V,表明在各炭材料修饰的电极上,HI电化学氧化不可逆。各材料对HI氧化峰位置的电位从小到大依次为S4A-PC(0.469 V)、S7A-PC(0.489 V)、S1A-PC(0.497 V)和S2A-PC(0.505 V),S4A-PC有着最小的峰电位,意味着产生最大电流时需要的电能最少,其电催化性能较好。

(a)CV曲线;(b)EIS曲线;(c,d)LSV曲线
图6 不同含硫量石油焦基炭材料作为HI电极材料的电化学性能表征
Fig.6 Electrochemical performance of activated petroleum coke with different sulfur content in HI/H2SO4solution

图6(b)为不同电极材料的交流阻抗图,各材料均呈现典型的半圆弧加斜线的Nyquist曲线,拟合电路分析结果见表4.左边半圆弧的半径即为高频区的阻抗实部,即I-在电极表面电化学吸附的电子转移阻抗,一般受炭材料表面元素电子排列与传输性质等表面状态影响。经过对比,电荷转移阻抗从小到大依次为S4A-PC(4.2 Ω)、S7A-PC(9.2 Ω)、S2A-PC(10.9 Ω)、S1A-PC(72.8 Ω).低频区斜线代表扩散阻抗,S4A-PC电极在低频区的斜线斜率最大,由于电解初始阶段,且I-的扩散常数具有相同的数量级,所以从电极表面到溶液内部的扩散为主要扩散速度控制步骤。离子半径较大,因而最大平均孔径的S4A-PC具有最大的扩散速度、最小的扩散阻抗。

表4 不同含硫量石油焦基炭材料的交流阻抗模拟数值和起始电位数值
Table 4 AC impedance simulation results and initial potential of activated petroleum coke with different sulfur content

样品溶液电阻/Ω电荷转移阻抗/Ω起始电位/mVS1A-PC2.6372.80246S2A-PC5.1010.90251S4A-PC4.204.20242S7A-PC4.599.20243

线性扫描伏安(LSV)曲线(图6(c),(d))表明,随着电压的升高,在电压大于HI的氧化电压后,开始有上升电流,总反应方程式的理论氧化电压为:

(4)

式中:Eθ为标准电极电位。

实际氧化电压(Er)为理论电压(Eth)与过电位(Eop)之和:

Er=Eth+Eop.

(5)

过电位的大小决定了电解反应的电流效率和能源利用效率。过电位越小,材料的电解起始电位越小,起始电位由小到大依次为:S4A-PC(242 mV)、S7A-PC(243 mV)、S1A-PC(246 mV)、S2A-PC(251 mV),优于商业铂丝电极(起始电位293.5 mV)[5],与交流阻抗中电荷转移阻抗结果基本一致。S4A-PC具有最小的起始电位和电荷转移阻抗,可能是大量孔道结构形成离子扩散通道,增加了电化学反应活性位点,因而起始电位较小。

如果碘原子和材料表面活性中心的吸附能太大,会阻碍两个I*结合后脱附成为I2,限制反应活性;结合能太小,则不利于I-离子的吸附和电化学氧化脱去电子,形成活化I*.氮原子各形态中,吡啶氮吸附碘原子的结合能最接近铂电极[12]。吡啶氮可提供电化学活性中心,提高电催化活性,少量石墨氮能改变连环石墨六边形平面结构的大π键电子云密度,提高材料电导率[10]。炭材料中—C—S—C和SC—的S原子很容易诱发邻近的C和N原子极化,导致碳骨架发生应变和缺陷,产生活性位点最终促进I-的化学反应[20]。材料中N含量是有效S含量(—C—S—C和SC—)的6~10倍,因而N元素起主要作用。S7A-PC和S1A-PC具有相近的比表面积和孔道结构,但S7A-PC过电位较小,原因在于S7A-PC杂原子S、N含量较高,虽然其吡啶氮含量略低,但更高的石墨氮和S含量改善了石墨微晶结构的电化学性能。各材料中S4A-PC具有最高的吡啶氮含量,最高的石墨化程度提供了较好的导电性,因而其电化学阻抗和起始电位最小,同时S4A-PC具有最多的介孔结构,因而其电化学氧化I-的活性最佳。

3 结论

1)利用4种不同硫含量的石油焦为原料,经过KOH活化制备S、N双掺杂炭材料,对制备的不同材料进行微观形貌、石墨化程度、孔径结构和表面元素状态等表征和分析发现:活化后S原子的相对含量降低,相比C—C(CC)和C—N(CN)键,C—S(CS键)更加活泼,更容易被氧化和活化。

2)制备了4种不同含硫量石油焦制备的炭基材料作为模拟Bunsen反应产物溶液电解阳极新材料,考查其电催化HI氧化生成的电化学性能,探讨N原子掺杂对I催化氧化的作用发现:材料中N含量(原子比)是有效S含量(原子比)(—C—S—C和SC—)的6~10倍,因而N元素起主要作用,吡啶氮可作为最佳催化活性中心。较大的介孔比率有利于离子的扩散。S4A-PC的吡啶氮含量最高,平均孔径最大,因而其电化学活性最高,起始电位为242 mV,优于商业铂丝电极。

3)论文中以固废产物含硫石油焦为原料制备的多孔炭电极材料电催化性能较好,优于商业铂丝电极,有作为新型电解HI阳极材料的潜力;但后续电极材料在高pH值HI酸性溶液中的电解寿命和稳定性需要进一步研究,粉末材料成型电极的工艺也需要后续开发。

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Carbon Materials Based on Sulfur-containing Petroleum Coke and Their Application as Anode Materials for Bunsen Reaction Products

WANG Jiawei1,2,BAO Weiren1,CHANG Liping1,WANG Hui1,ZHANG Ke1,LI Xiaoling1

(1.KeyLaboratoryofCoalScienceandTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.CollegeofEnvironmentandResourceSciences,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China)

Abstract:Four kinds of petroleum coke with different sulfur content were used as raw materials to prepare sulfur and nitrogen co-doped carbon materials by potassium hydroxide activation.The microstructure,graphitization degree,pore size structure,and surface element state of the prepared materials were characterized and analyzed.Four carbon-based materials prepared by petroleum cokes with different sulfur content were applied as HI (1 mol/L)+H2SO4(0.5 mol/L)solution electrolytic anode materials.The electrochemical properties of their electrocatalytic I-oxidation towere investigated.The electrochemical properties of the materials,such as cyclic voltammetry,linear scanning,and AC impedance,were studied.Combined with the characterization results,the effect of nitrogen and sulfur doping on catalytic oxiding of I-was discussed.It was concluded that pyridine nitrogen could be used as the catalytic active center.Meanwhile,S in graphitic plane network structure could induce polarization of adjacent C and N atoms,and a new electrocatalytically active center is formed.More mesoporous pores contribute to the dissolution and diffusion ofions,so the corresponding electrochemical activity is optimum.

Keywords:electrolysis;carbon materials;activation;doping;iodide

中图分类号:TL99

文献标识码:A

DOI:10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2022.02.003

文章编号:1007-9432(2022)02-0207-08

引文格式:王嘉伟,鲍卫仁,常丽萍,等.石油焦基炭材料及其作为电解Bunsen反应产物阳极的应用[J].太原理工大学学报,2022,53(2):207-214.

WANG Jiawei,BAO Weiren,CHANG Liping,et al.Carbon Materials Based on Sulfur-containing Petroleum Coke and Their Application as Anode Materials for Bunsen Reaction Products[J].Journal of Taiyuan University of Technology,2022,53(2):207-214.

收稿日期:2020-10-23

基金项目:国家自然科学基金资助项目(21576183)

第一作者:王嘉伟(1988-),博士研究生,(E-mail)wangjw@sxu.edu.cn

通信作者:鲍卫仁(1964-),博士,教授,博士生导师,主要从事煤基新材料制备及煤洁净转化方面的研究,(E-mail):baoweiren@tyut.edu.cn

(编辑:杨 鹏)

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