Co、Fe、Zn基金属氧化物复合材料的制备及其催化性能研究

发布时间：2020-10-19 23:11

　　 以Co、Fe、Zn基金属氧化物复合材料在光催化降解和电催化性能的研究为中心,通过冷凝回流法制备出ZnO-ZnFe_2O_4纳米材料。采用电荷诱导组装法制备出石墨烯量子点修饰ZnO-ZnFe_2O_4复合材料。以六水合硝酸钴作为钴源,制备出Zn/Co比例不同的Zn_xCo_(1-x)Fe_2O_4金属氧化物复合材料。通过简单的热处理方法将P元素掺杂到Zn_(0.5)Co_(0.5)Fe_2O_4金属氧化物复合材料。主要结论有,(1)通过冷凝回流法和电荷诱导组装法制备的石墨烯量子点修饰ZnO-ZnFe_2O_4复合材料,其较小的禁带宽度增强了对光的吸收效率,适量石墨烯量子点的修饰提高了电荷传输效率与活性位点数量,具有优异的光催化性能。在光催化降解MB测试中,相比于ZnO和ZnO-ZnFe_2O_4材料,1GQD/ZnO-ZnFe_2O_4复合材料的降解性能分别提升了10和4倍。在光催化降解盐酸四环素测试中,1GQD/ZnO-ZnFe_2O_4复合材料30分钟内的降解效率达到90%以上。(2)通过简单控制金属前驱体的浓度和类型,合成出不同尺寸和形貌的Co_3O_4纳米晶体材料。与Cubic-18和Triangular-9相比,Cubic-9型Co_3O_4纳米材料由于具有较大的比表面积和高的氧空位浓度,在0.1M KOH碱性溶液中显示出更高的极限电流密度(5.5 mA/cm~2)、更正的半波电位(0.48 V vsRHE)和更接近4的电子转移过程(转移电子数为3.68-3.79)。此外,Cubic-9型Co_3O_4纳米材料表现出优于商业Pt/C催化剂的稳定性和抗甲醇氧化性能。(3)利用对苯二甲酸作为有机配体,六水合硝酸钴作为钴源,制备Zn_xCo_(1-x)Fe_2O_4金属氧化物复合材料。在1M KOH碱性溶液中考察了ZnFe_2O_4、Zn_(0.7)Co_(0.3)Fe_2O_4、Zn_(0.5)Co_(0.5)Fe_2O_4、Zn_(0.3)Co_(0.7)Fe_2O_4和CoFe_2O_4材料的OER和HER性能。随着Zn/Co比值的降低,极限电流密度呈现出先增大后减小的趋势,过电位(η_(10))也表现出先减小后增大的趋势。当Zn/Co比值为1时,Zn_(0.5)Co_(0.5)Fe_2O_4复合材料表现出优异的OER和HER性能,此时具有最高的极限电流密度,最低的过电位(OER:305 mV,HER:331 mV)和最小的塔菲尔斜率(OER:131 mV/Dec,177 mV/Dec)。稳定性测试结果显示,该材料具有良好的电催化OER稳定性及较差的电催化HER稳定性,在稳定性测试过程中过电位增加了约300 mV。(4)通过热处理方法进行P元素的掺杂,制备P-Zn_(0.5)Co_(0.5)Fe_2O_4复合材料。在1M KOH碱性溶液中对比了Zn_(0.5)Co_(0.5)Fe_2O_4和P-Zn_(0.5)Co_(0.5)Fe_2O_4复合材料的电催化OER和HER性能,发现P元素掺杂可以显著提升材料的催化活性。与Zn_(0.5)Co_(0.5)Fe_2O_4材料相比,P-Zn_(0.5)Co_(0.5)Fe_2O_4复合材料具有高的氧空位浓度和电解水活性位点数量(ECSA测试结果表明,P元素掺杂材料的电化学比表面积提高了89%),表现出更大的极限电流密度更小的、更小的过电位(OER:277 mV,HER:191 mV)和塔菲尔斜率(OER:44 mV/Dec,46 mV/Dec)。稳定性测试结果显示,P掺杂Zn_(0.5)Co_(0.5)Fe_2O_4复合材料具有优异的电催化OER和HER稳定性。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 科学问题与研究意义
    1.2 金属-有机框架材料概述
    1.3 光催化概述
        1.3.1 光催化降解基本原理
        1.3.2 金属-有机框架材料在光催化的应用
    1.4 电催化技术概述
        1.4.2 电解水制氢的发展历程
        1.4.3 电催化析氢反应
        1.4.4 电催化析氧反应
        1.4.5 电催化氧还原反应
        1.4.6 评价指标
        1.4.7 金属-有机框架材料在电催化的应用
    1.5 选题依据
    1.6 研究内容
第二章 实验材料及表征方法
    2.1 化学试剂及仪器设备
        2.1.1 化学试剂
        2.1.2 仪器设备
    2.2 表征方法
        2.2.1 X射线衍射
        2.2.2 扫描电子显微镜
        2.2.3 透射电子显微镜
        2.2.4 热重分析
        2.2.5 X射线光电子能谱
        2.2.6 比表面积
        2.2.7 紫外—可见漫反射光谱
        2.2.8 光致荧光发光光谱
2O₄复合材料的制备及其光催化性能研究'>第三章 石墨烯量子点修饰ZnO-ZnFe₂O₄复合材料的制备及其光催化性能研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
2O₄纳米材料的制备'>        3.2.1 ZnO-ZnFe₂O₄纳米材料的制备
2O₄复合材料的制备'>        3.2.2 GQDs修饰ZnO-ZnFe₂O₄复合材料的制备
        3.2.3 可见光催化降解亚甲基蓝（MB）和盐酸四环素实验
        3.2.4 活性物种捕获实验
        3.2.5 光电流实验测试
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 微观结构和形貌表征
        3.3.2 光催化降解亚甲基蓝和盐酸四环素性能研究
        3.3.3 光催化机理探究
    3.4 本章小结
3O₄ 纳米材料的制备及其电催化氧还原性能研究'>第四章 过渡金属氧化物Co₃O₄ 纳米材料的制备及其电催化氧还原性能研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
3O₄ 纳米材料的制备'>        4.2.1 Co₃O₄ 纳米材料的制备
        4.2.2 电化学测试
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 微观形貌和结构表征
3O₄ 纳米材料电催化性能测试'>        4.3.2 Co₃O₄ 纳米材料电催化性能测试
3O₄ 纳米材料电催化性能研究'>        4.3.3 Co₃O₄ 纳米材料电催化性能研究
3O₄ 纳米材料与商业Pt/C电催化氧还原性能比较'>        4.3.4 Cubic-9型Co₃O₄ 纳米材料与商业Pt/C电催化氧还原性能比较
    4.4 本章小结
1-xFe₂O₄ 复合材料的制备及其催化性能研究'>第五章 三元金属氧化物ZnxCo_1-xFe₂O₄ 复合材料的制备及其催化性能研究
    5.1 引言
    5.2 实验部分
1-xFe₂O₄复合材料的制备'>        5.2.1 三元金属氧化物ZnxCo_1-xFe₂O₄复合材料的制备
        5.2.2 电化学测试
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 微观形貌和结构表征
1-xFe₂O₄ 复合材料的电催化性能表征'>        5.3.2 金属氧化物ZnxCo_1-xFe₂O₄ 复合材料的电催化性能表征
    5.4 本章小结
0.5Co_0.5Fe₂O₄ 复合材料的制备及其催化性能研究'>第六章 P掺杂Zn_0.5Co_0.5Fe₂O₄ 复合材料的制备及其催化性能研究
    6.1 引言
    6.2 实验部分
0.5Co_0.5Fe₂O₄ 复合材料的制备'>        6.2.1 三元金属氧化物Zn_0.5Co_0.5Fe₂O₄ 复合材料的制备
0.5Co_0.5Fe₂O₄ 复合材料制备'>        6.2.2 P元素掺杂Zn_0.5Co_0.5Fe₂O₄ 复合材料制备
        6.2.3 电化学测试
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 微观形貌与结构分析
0.5Co_0.5Fe₂O₄和Zn_0.5Co_0.5Fe₂O₄ 复合材料的电催化性能研究'>        6.3.2 P-Zn_0.5Co_0.5Fe₂O₄和Zn_0.5Co_0.5Fe₂O₄ 复合材料的电催化性能研究
    6.4 本章小结
第七章 结论
    7.1 主要结论
    7.2 主要创新点
    7.3 下一步工作建议
参考文献
致谢
附录

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本文编号：2847839