金属有机骨架衍生镍基材料的制备及其电催化性能研究

发布时间：2020-03-24 09:52

【摘要】：化石燃料日益枯竭并伴随着严重的环境污染,因此开发各种清洁可再生能源势在必行,其中氢气被广泛认为是一种可持续且丰富的能源载体,拥有解决目前能源危机的巨大潜力。在电解水制氢过程中,析氧反应因涉及四个电子的输运,动力学过程非常缓慢,需要高的电势来克服反应势垒,从而驱动水分解反应。因此开发低成本,高效率以及环境友好的析氧电催化剂具有十分重要的意义。金属有机骨架化合物在煅烧过程中能够原位衍生碳,同时可在碳骨架中掺入氮、磷等元素,因此其衍生物是非常有前景的贵金属基电催化剂替代物。本文分别采用含氮和不含氮的有机配体,通过溶剂热法合成了两种不同的镍基金属有机骨架化合物前驱体,将前驱体进行不同的煅烧处理得到了石墨烯支撑碳限域磷化镍纳米晶(Ni_2P@C/G)以及氮掺杂碳限域镍/石墨烯复合物(Ni@NC/G)。通过相应测试方法表征了两种样品的结构,并研究了其作为析氧催化剂的电催化性能,同时进一步探究了Ni_2P@C/G催化析氧反应的机理。主要研究结果如下:(1)以均苯三甲酸为有机配体,通过溶剂热法合成镍基前驱体,经过两步煅烧过程制备了Ni_2P@C/G。选用2-甲基咪唑为有机配体,通过溶剂热法合成了含氮镍基前驱体,在不同温度下对前驱体进行一步碳化处理,得到Ni@NC/G。对Ni_2P@C/G和Ni@NC/G进行了物相,形貌,石墨化程度,元素含量,比表面积等结构表征。(2)对Ni_2P@C/G进行电催化性能测试,结果表明Ni_2P@C/G具有优异的析氧催化活性,仅需285 mV就可以达到10 mA cm~(-2)的电流密度,塔菲尔斜率低至44 mV dec~(-1),并具有很好的耐久性,其性能优于商业化IrO_2,并且可以与目前性能优异的非贵金属析氧催化剂相媲美。进一步的机理研究表明,石墨化碳层内部的Ni_2P纳米晶体在析氧反应过程中会发生氧化,原位生成的NiOOH作为活性位点增强了材料的催化活性。(3)将不同温度下碳化得到的Ni@NC/G进行电催化性能测试,结果表明Ni@NC/G-550具有最好的析氧催化活性,仅需291 mV就可以达到10 mA cm~(-2)的电流密度,塔菲尔斜率为74 mV dec~(-1),其性能可与贵金属氧化物IrO_2相媲美。
【图文】：

第 1 章 绪论言全球能源需求的不断增长，化石燃料已日益枯竭，大量化石严重的环境污染问题。因此，，开发和利用具有高效率，低成的各种清洁可持续能源的转换与储存技术具有非常重要的意为是一种最丰富的自然资源，人们正通过各类策略与方法来中最典型的方法就是利用太阳能电池（即固态光伏器件和染）将太阳能转化为电能，但是该方法无法储存能量[1]。众所周节性因素，太阳能通常是不连续和可变的，因此高效的储存得至关重要[3]。

性（红线）和碱性（蓝线）条件下的 OER 反下，首先水失去一个电子，生成 H+并形成反应 键断裂并失去一个电子，形成新的中间体 MO断裂失去一个电子，生成 H+，MO 则转变为OOH 中的 O-H 键断裂失去一个电子，并生成表面。具体的反应机理如下：M + H2O → MOH + H++ e-MOH → MO + H++ e-MO + H2O → MOOH + H++ e-MOOH → M + O2+ H++ e-下，首先 OH-吸附在材料表面的活性位点 M 上
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36

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本文编号：2598157