Ni基纳米材料的制备及其电催化性能研究

发布时间：2017-10-08 02:36

  本文关键词：Ni基纳米材料的制备及其电催化性能研究

  更多相关文章： 氧化镍核壳结构 硒化镍纳米线阵列 镍铁合金纳米片 自支撑电极 电催化

【摘要】：纳米材料具有较大的比表面积,能显著提高电催化效率,因而在电催化研究中受到了广泛关注。随着能源需求的持续增加,化石燃料的不断消耗以及环境问题的日益严重,亟需发展可再生的清洁能源。燃料电池和氢气是高效、环保的二次能源,是能源研究领域的热点。因此发展可用于甲醇氧化、电解水制氢等电化学系统的新型纳米电催化剂,是推动这些清洁能源迈向商业化应用的关键一步。过渡金属镍在地壳的储量丰富(其含量仅次于硅、氧、铁、镁,居第5位),价格低廉,且镍及其化合物具有优越的电化学性质,能有效降低电催化反应的过电势,有望替代传统的贵金属用于电催化系统的电极材料。本文主要围绕镍基纳米自支撑电极的制备,并系研究了其甲醇氧化和水分解等电催化性能。主要研究结果如下:1、通过水热和煅烧等技术,首次在泡沫镍上原位生长出氧化镍纳米片@纳米线核壳结构(NiO nanosheet@nanowire arrays on Ni foam,NiO NS@NW/NF),成功构建了三维自支撑电极。当该三维电极直接用于碱性甲醇氧化时,NiO NS@NW/NF电极在电势为1.62 V(相对于标准氢电极RHE)时电流密度达到89 mA cm~(-2),是泡沫镍(30 mA cm~(-2))的3倍。NiO NS@NW/NF电极优秀的电催化性能是由于NiO纳米阵列的核壳分层结构,加上在泡沫镍上原位生长构建出自支撑电极,使得该电极具有更多的活性位点,同时能够促进反应中的传质过程。2、采用水热法成功构建了NiO/Ni,Ni3S2/Ni,NiSe/Ni自支撑电极,系统研究了NiO、Ni3S2、NiSe纳米线对甲醇氧化反应的电催化性能,发现其性能关系为NiSeNi3S2NiO。把NiSe/Ni自支撑电极用于甲醇氧化时,它显示出优秀的电催化性能,在1 M KOH+0.5 M CH_3OH的电解液中,当电势为0.5 V(相对于饱和甘汞电极SCE)时电流密度能达到132 mA cm~(-2),是Ni箔(32 mA cm~(-2))的4倍。3、在同种电解液中同时实现对析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的有效电催化,是非常具有挑战性的工作,目前报道很少。我们采用电沉积法在泡沫镍上合成出NiFe纳米片,成功构建了NiFe/NF自支撑电极(NiFe nanosheets film on Ni foam,NiFe/NF)。Ni Fe/NF三维电极在碱性溶液中同时表现出高效的OER和HER催化活性,在1 M KOH溶液中,OER过程中达到电流密度20 mA cm~(-2)时仅需过电势264 mV;同时HER过程中达到电流密度10 mA cm~(-2)时仅需过电势139 mV。NiFe/NF电极的双功能性启发我们将其同时用作阳极和阴极构建碱性电解水槽。该电解槽电分解水时电流密度达到10 mA cm~(-2)仅需电势1.64 V,性能优于之前报道的NiFe LDH组装的电解槽(1.7 V)。
【关键词】：氧化镍核壳结构 硒化镍纳米线阵列 镍铁合金纳米片 自支撑电极 电催化
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 纳米材料概述11
• 1.2 纳米材料的合成方法11-14
• 1.3 纳米材料的电催化应用14-24
• 1.3.1 电催化甲醇氧化15-19
• 1.3.2 电催化析氧19-24
• 1.4 选题目的和意义24-26
• 第2章 NiO纳米片@纳米线核壳结构的制备及其对甲醇的电催化氧化26-36
• 2.1 引言26-27
• 2.2 实验部分27-28
• 2.2.1 实验试剂27
• 2.2.2 表征方法和电化学测试27
• 2.2.3 NiO纳米结构的制备方法27-28
• 2.3 结果与讨论28-35
• 2.3.1 NiO NS@NW/NF的表征28-30
• 2.3.2 NiO NS@NW/NF结构的形成机理30-31
• 2.3.3 NiO NS@NW/NF的电催化甲醇氧化性能31-35
• 2.4 小结35-36
• 第3章 NiSe纳米线阵列的制备及其电催化甲醇氧化性能36-48
• 3.1 引言36-37
• 3.2 实验部分37-39
• 3.2.1 实验试剂37
• 3.2.2 表征方法和电化学测试37-38
• 3.2.3 Ni硫属化合物纳米线的制备方法38-39
• 3.3 结果与讨论39-47
• 3.3.1 催化剂的表征39-43
• 3.3.2 NiSe纳米线阵列的电催化甲醇氧化性能43-47
• 3.4 小结47-48
• 第4章 NiFe纳米片的制备及其双功能析氧和析氢反应催化性能48-60
• 4.1 引言48-49
• 4.2 实验部分49-51
• 4.2.1 实验试剂49
• 4.2.2 表征方法和电化学测试49-50
• 4.2.3 催化剂的制备方法50-51
• 4.3 结果与讨论51-59
• 4.3.1 催化剂的表征51-54
• 4.3.2 NiFe纳米片的电催化性能54-59
• 4.4 小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-75
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果75-76
• 致谢76-77
• Ⅳ-2答辩委员会对论文的评定意见77

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本文编号：991545