过渡金属化合物析氧电催化剂的制备及其性能研究
发布时间：2020-08-26 14:50
【摘要】：电催化裂解水分解反应其中一个半反应是析氧反应(OER)。IrO2和RuO2等贵金属催化剂已被证明是OER最有效的催化剂体系之一。然而贵金属催化剂的地球存有量少、成本高、长期稳定性差等缺点很大程度上阻碍了它们的发展与广泛应用。因此,开发出具有高电催化活性、优异的耐久性和地球存有量足等特性的催化剂是一项有意义的工作。本论文探讨了 Fe掺杂NiCoP多孔纳米片阵列电催化裂解水析氧催化剂的性能,3DNi4Fe1.2-LDH绣球花纳米结构的电催化裂解水析氧催化剂的性能以及Fe掺杂的NiCoFeS纳米材料对电催化裂解水析氧反应的影响,并通过了一系列的表征手段,以及测试方法对相应催化剂材料展开了具体研究:(1)通过简单的水热和磷化方法制备了原位生长在镍泡沫上的Fe掺杂的NiCoFeP纳米片阵列。NiCoFeP独特的纳米片阵列结构,快速的电子传输,同时Ni、Co、Fe和P四种元素也都是催化剂的活性位点,四种元素之间存在协同作用,这些特点都有利于催化反应的进行。研究得出当Fe的掺杂量为7%时所制备的NiCoFeP/NF在碱性电解液中表现出最佳的OER性能。在低过电位271 mV时,它能达到的电流密度为200 mA/cm2,Tafel斜率为45 mV/dec。(2)通过简单温和的水热法制备Ni4Fe1.2-LDH绣球花结构原位生长在泡沫镍上,主要对Ni、Fe不同的摩尔比和水热温度两个变量进行了研究,研究表明当水热温度为100℃,Ni:Fe为4:1.2时的催化性能最佳。这可归因于独特的3D绣球花纳米结构,Fe、Ni元素之间的协同效应,使得催化剂在过电位为258 mV的情况下,其电流密度可达到100 mA/cm2,在1M KOH溶液中表现出20 mV/dec的Tafel斜率。制备的Ni4Fe1.2-LDH是一种低成本、高效、具有较高稳定性的电催化裂解水析氧催化剂。(3)利用水热法将不同百分比的Fe掺杂进NiCoS催化剂中,讨论了不同百分比的Fe掺杂以及硫化过程中不同量的硫源对电催化裂解水析氧反应的影响。发现当Fe的掺杂量为5%、硫源的量为500 mg条件下制备的催化剂催化性能最佳,达到电流密度为10 mA/cm2时所需的过电位为365 mV。这可能源于Ni、Co、Fe、S都作为活性位点,且它们之间存在协同作用,同时所制备材料具有分级多孔结构,在一定程度上促进了催化剂与电解液的充分接触,有利于OER反应的发生。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36
【图文】：
图ｉ．ｉ水电解示意图１１４］逡逑金属氧化物，氢氧化物和钙钛矿等因能促进ＯＥＲ反应的材料的机制和途径相对ＨＥＲ较复杂，氧通常是从金属氧化物表来自裸露的金属。ＯＥＲ机理对于氧化物的不同表面结构来说成分的氧化物也可能由于不同的氧化层厚度和结构及制备方学过程。尽管如此，ＯＥＲ的一般机制已被提出，如下：逡逑条件下，反应路径如下［１５］：逡逑0＾ＭＯＨ＋Ｈ＋＋ｅ＇－＞ＭＯ＋Ｈ＋＋ｅ＇２Ｍ＋０２０＋Ｈ２０—ＭＯＯＨ＋Ｈ＋＋ｅ－Ｈ＋Ｈ２０－＾Ｍ＋０２＋Ｈ＋＋ｅ＂）条件下，反应路径如下：逡逑Ｈ——ＭＯＨ＇
图邋３．邋２邋ＮＦ，邋Ｎｉ－Ｃｏ邋前驱体／ＮＦ，邋ＮｉＣｏＰ／ＮＦ，邋Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ邋前驱体／ＮＦ，邋ＮｉＣｏＦｅＰ／ＮＦ邋的照片逡逑ｉＣｏＦｅＰ纳米片阵列是通过水热磷化反应合成的。合成过程如下［６：＾７＜）］：将（ＮＦ，１邋ｃｍｘｌ邋ｃｍ）在丙酮中超声１０邋ｍｉｎ，浸入３邋Ｍ邋ＨＣ１中２０邋ｍｉｎ，使Ｎ性ＮｉＯ层溶解，然后用去离子水和乙醇洗涤数次。将４邋ｍｍｏｌ不同摩尔属前体（包括邋Ｃｏ（Ｎ０３）ｒ６Ｈ２０、Ｆｅ（Ｎ０３）３．９Ｈ２０邋和邋Ｎｉ（Ｎ０３）２．６Ｈ２０），８邋ｍｍ和１０邋ｍｍｏｌ尿素，溶解于７０邋ｃｍ＾去离子水中，在磁力搅拌下形成均勾的。将ＮＦ和得到的溶液转移到１００邋ｃｍ３高压反应釜中，然后在１００邋°Ｃ下保－１７－逡逑
逑５％、７％、１０％和１３％）的ＮｉＣｏＦｅＰ的特征衍射峰与ＮｉＣｏＰ完全重合，并且没逡逑有出现其他杂质峰（图３．３邋（ｂ））。这可能是因为Ｎｉ、Ｃｏ和Ｆｅ的元素半径是相似逡逑的，并且Ｆｅ被嵌入到ＮｉＣａＰ的晶格中［３，４８，７２］，替代镍和钴并产生晶格缺陷。在逡逑一定程度上，这些晶格缺陷可以暴露出更多的活性位点，从而促进ＯＥＲ的发生［７３］。逡逑—１邋＇邋＇邋一逡逑１邋逦逦邋％逦ｊ邋逦逡逑ｃ邋；ｄ；逡逑＾ｖ邋二．＇：：：：？：：栜＾逡逑＇邋：．：．．．：．＇．：：．：＿酵＾＾逦：：ｒ＿逦．逡逑图３．邋４邋（ａ，邋ｂ）空白ＮＦ的ＳＥＭ图及其放大图；（ｃ，邋ｄ）邋ＮｉＣｏＦｅＰ／ＮＦ的ＳＥＭ图及其放大图逡逑如ＳＥＭ图（图３．４邋（ａ，ｂ））所示，ＮＦ具有多孔结构和光滑表面。多孔结构逡逑不仅在为催化剂生长提供大的空间方面起着重要的作用，而且还可以用作气泡释逡逑放的良好通道，以防止由于气泡的积聚导致的催化性能下降［６５］。水热反应和磷化逡逑后，催化剂均匀的长在ＮＦ的骨架上（图３．４邋（ｃ，ｄ））。如图３．５邋（ａ），（ｂ）和（ｃ）逡逑所示纳米片在ＮＦ上均匀生长形成了纳米片阵列。有趣的是
本文编号：2805315
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36
【图文】：
图ｉ．ｉ水电解示意图１１４］逡逑金属氧化物，氢氧化物和钙钛矿等因能促进ＯＥＲ反应的材料的机制和途径相对ＨＥＲ较复杂，氧通常是从金属氧化物表来自裸露的金属。ＯＥＲ机理对于氧化物的不同表面结构来说成分的氧化物也可能由于不同的氧化层厚度和结构及制备方学过程。尽管如此，ＯＥＲ的一般机制已被提出，如下：逡逑条件下，反应路径如下［１５］：逡逑0＾ＭＯＨ＋Ｈ＋＋ｅ＇－＞ＭＯ＋Ｈ＋＋ｅ＇２Ｍ＋０２０＋Ｈ２０—ＭＯＯＨ＋Ｈ＋＋ｅ－Ｈ＋Ｈ２０－＾Ｍ＋０２＋Ｈ＋＋ｅ＂）条件下，反应路径如下：逡逑Ｈ——ＭＯＨ＇
图邋３．邋２邋ＮＦ，邋Ｎｉ－Ｃｏ邋前驱体／ＮＦ，邋ＮｉＣｏＰ／ＮＦ，邋Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ邋前驱体／ＮＦ，邋ＮｉＣｏＦｅＰ／ＮＦ邋的照片逡逑ｉＣｏＦｅＰ纳米片阵列是通过水热磷化反应合成的。合成过程如下［６：＾７＜）］：将（ＮＦ，１邋ｃｍｘｌ邋ｃｍ）在丙酮中超声１０邋ｍｉｎ，浸入３邋Ｍ邋ＨＣ１中２０邋ｍｉｎ，使Ｎ性ＮｉＯ层溶解，然后用去离子水和乙醇洗涤数次。将４邋ｍｍｏｌ不同摩尔属前体（包括邋Ｃｏ（Ｎ０３）ｒ６Ｈ２０、Ｆｅ（Ｎ０３）３．９Ｈ２０邋和邋Ｎｉ（Ｎ０３）２．６Ｈ２０），８邋ｍｍ和１０邋ｍｍｏｌ尿素，溶解于７０邋ｃｍ＾去离子水中，在磁力搅拌下形成均勾的。将ＮＦ和得到的溶液转移到１００邋ｃｍ３高压反应釜中，然后在１００邋°Ｃ下保－１７－逡逑
逑５％、７％、１０％和１３％）的ＮｉＣｏＦｅＰ的特征衍射峰与ＮｉＣｏＰ完全重合，并且没逡逑有出现其他杂质峰（图３．３邋（ｂ））。这可能是因为Ｎｉ、Ｃｏ和Ｆｅ的元素半径是相似逡逑的，并且Ｆｅ被嵌入到ＮｉＣａＰ的晶格中［３，４８，７２］，替代镍和钴并产生晶格缺陷。在逡逑一定程度上，这些晶格缺陷可以暴露出更多的活性位点，从而促进ＯＥＲ的发生［７３］。逡逑—１邋＇邋＇邋一逡逑１邋逦逦邋％逦ｊ邋逦逡逑ｃ邋；ｄ；逡逑＾ｖ邋二．＇：：：：？：：栜＾逡逑＇邋：．：．．．：．＇．：：．：＿酵＾＾逦：：ｒ＿逦．逡逑图３．邋４邋（ａ，邋ｂ）空白ＮＦ的ＳＥＭ图及其放大图；（ｃ，邋ｄ）邋ＮｉＣｏＦｅＰ／ＮＦ的ＳＥＭ图及其放大图逡逑如ＳＥＭ图（图３．４邋（ａ，ｂ））所示，ＮＦ具有多孔结构和光滑表面。多孔结构逡逑不仅在为催化剂生长提供大的空间方面起着重要的作用，而且还可以用作气泡释逡逑放的良好通道，以防止由于气泡的积聚导致的催化性能下降［６５］。水热反应和磷化逡逑后，催化剂均匀的长在ＮＦ的骨架上（图３．４邋（ｃ，ｄ））。如图３．５邋（ａ），（ｂ）和（ｃ）逡逑所示纳米片在ＮＦ上均匀生长形成了纳米片阵列。有趣的是
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 王盼;郭建钊;王宇新;;新型析氧电催化剂IrO_2/ATO的高效制备及性能[J];化学工业与工程;2015年02期
2 崔鑫;林瑞;赵天天;杨美妮;马建新;;过渡金属合金催化剂催化作用机理研究进展[J];化工进展;2014年S1期
3 王森林;鲍晋珍;;电沉积Ni/LaNiO_3复合电极及其在碱性介质中的析氧性能[J];中国稀土学报;2012年03期
本文编号：2805315
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