几种过渡金属基析氧反应、氧还原反应电催化剂的制备及性能研究
发布时间：2020-05-08 01:22
【摘要】：能源短缺、环境污染和气候变化是21世纪人类面临的三大严峻问题,开发新的清洁可再生能源被认为是解决这些问题的有效方法。由于能量转化效率高、应用方便等优点,电化学能量存储与转化技术近年来受到了世界各国的广泛关注。在诸多电化学设备例如电解水系统、金属-空气电池、燃料电池等中,析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)由于其缓慢的反应动力学而受到限制,急需高效的催化剂加速其反应过程。目前最先进的OER和ORR催化剂是贵金属及其氧化物,但由于价格高、储量少,它们的大规模应用受到了限制。因此,研发新型非贵金属OER、ORR催化剂成为了电化学能源科学与技术中的一个重要课题。基于以上背景,我们从对材料的理性设计出发,发展了几种高效的过渡金属基OER、ORR催化剂。本论文主要的研究内容如下:1、具有复杂自旋构型的双钙钛矿OER、ORR电催化剂的研究我们研究了双钙钛矿催化剂La_2CoMn0_(6-δ)和La_2NiMnO_(6-δ)的OER、ORR性质,实验结果表明它们是有效的OER、ORR电催化剂。对于在600℃退火的La_2CoMnO_(6-δ)样品,其在碱性电解液中相对于可逆氢电极(RHE)的ORR半波电位低至0.75V。随后我们研究了 La_2CoMnO_(6-δ) La_2NiMnO_(6-δ)电催化活性与e_g轨道电子占有数之间的关系。我们发现当两种过渡金属离子的e_g电子时都被考虑到时,Shao-Hom及其同事提出的e_g填充规则秆La_2CoMnO_(6-δ)中是有效的。然而,对于La_2NiMnO_(6-δ)的情况,由于在不同条件下制备的样品都具柯为的平均e_g占据数,因此应当修改e_g填充规则。我们建议使用平均偏离于e_g占据数为1的程度来描述La_2NiMnO_(6-δ)的催化活性。修改后的e_g填充规则可用于设计平均e_g占据数为1的钙钛矿催化剂。2、二维(2D)金属有机框架衍生的双金属磷化物/碳复合材料OER电催化剂的研究我们使用2D金属-有机框架(MOF)作为前驱体,合成了嵌入碳纳米片中的超细钴-铁双金属磷化物纳米颗粒。碳基质的2D形态和Co(1-x)Fe_xP纳米颗粒的超细特征有利于提高OER催化性能。通过优化MOF中Co/Fe原子的摩尔比,我们制备了一系列的Co(1-x)Fe_xP/C催化剂。其中C_(0.7)Fe_(0.3)P/C表现出最优的OER催化性能,在碱性电解液中,达到电流密度为10 mA cm~(-2)时的过电位低达270 mV(相对于RHE),并且具有27 mV dec~(-1)1的超低Tafel斜率。适度的铁掺杂保存了催化活性位点并提高了 CO_(1-x)Fe_xP纳米颗粒表面被氧化的能力,从而增强了 OER活性。我们的研究结果为理性设计OER催化剂的形态和化学组成提供了研究基础。3、2D双金属磷化物超薄纳米片OER电催化剂的研究我们研究了一种作为新型OER电催化剂的2D双金属磷化物(Co(1-x)Fe_xP)超薄纳米片。采用水热法先制备了 2D铁掺杂的(CO_3)_(0.5)(OH)·0.11H_2O作为前驱物,再通过快速加热以及磷化处理得到2D的Co(1-x)Fe_xP超薄纳米片。纳米片的2D形态和不同过渡金属元素之间的协同效应有利于提高OER催化性能。通过优化Fe原子的掺杂比,Co_(0.8)Fe_(0.2)P纳米片表现出最佳的OER催化性能。在碱性电解液中,当电流密度为10 mA cm~(-2)时,它的过电位低达270 mV(相对于RHE),Tafel斜率为50 mV dec~(-1)。适度的铁掺杂改善了 CoP纳米片表面的氧化程度并保持了导电性和化学稳定性,从而提高了 OER性能。我们的研究结果展示了通过理性设计制备新型非层状2D纳米材料OER催化剂的巨大潜力。
【图文】：
会离不开能源，在一定程度上，，能源可以被看作人类社会发业社会，人力、畜力和d毶漳静牡然竦玫纳镏誓苁亲钪饕蹈锩岳矗骸⑹汀⑻烊黄然茉绰懔巳死嗉本缤迹保焙停保菜荆梢钥吹矫禾克嫉谋壤鸩皆黾樱冢保罚埃サ姆逯担婧笥捎谑秃吞烊黄男似穑急壤鸩教烊黄壕晌钪匾幕茉础Ｈ欢茉吹牟豢扇保缡途莩苹嵩诖笤迹玻埃暗剑常埃澳昴谙拇 ４映ぴ床蛔阋灾С秩死嗌缁岬某て诜⒄埂６酉质到嵌壤纯矗岫怨野踩玻曰茉吹恼峄岽吹厍质埔渤晌艘桓鲋匾墓诤凸收挝侍猓艿绞澜绺鞴銎浯危忌栈茉此蜓趸铩⒌趸锘嵩斐苫肪呈嵌趸颍ǎ
本文编号：2653877
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