Ni-Co基纳米阵列的构筑及其电催化性能的研究

发布时间：2020-03-30 09:02

【摘要】：电解水制备氢气是解决可再生能源长期供应、储存和使用等难题的一个很有前景的方案。然而,电解水过程中阳极析氧反应动力学缓慢且阴极析氢反应又不稳定,使得大规模利用电解水制备高纯度的氢气仍然十分困难。本论文围绕着电解水制氢过程中包含的阳极氧析出反应(OER)和阴极氢析出反应(HER),以降低OER和HER过程的过电位为目标,制备了各种镍钴基的电极并研究了它们的电催化性能。研究的主要内容如下:1.采用两步水热法在泡沫镍基底(NF)上原位生长NiCo_2S_4纳米管阵列,并且合成了Ni_3S_2/NF、Co_3S_4/NF及NiCo_2S_4颗粒作为对比。利用三电极体系测试了各电极材料在1 mol/L的KOH溶液中的HER性能。测试结果表明,NiCo_2S_4/NF具有优于Ni_3S_2/NF、Co_3S_4/NF及NiCo_2S_4颗粒电极的HER性能。在10 mA/cm~2的电流密度下,NiCo_2S_4/NF的过电位为183 mV,Tafel斜率为121.5 mV/dec。在10 mA/cm~2的恒定电流密度下连续测试100,000 s,NiCo_2S_4/NF电极的电位没有发生明显的变化,并且稳定性测试后NiCo_2S_4/NF的形貌保持得较为完整。2.采用易控制的电沉积法在泡沫镍基底上沉积Ni_xCo_(1-x)(OH)_y纳米片,并研究了不同镍钴比例和不同电镀时间对Ni_xCo_(1-x)(OH)_y样品结构和形貌的影响。利用三电极体系测试了各样品在碱性环境中的OER性能。结果表明,镍钴比例为1:1且电镀时间为120 s时,制备得到的N_(i0.5)Co_(0.5)(OH)_2纳米片的OER性能最好。电流密度为10 mA/cm~2时,N_(i0.5)Co_(0.5)(OH)_2电极所需的过电位为307 mV,Tafel斜率为64.9 mV/dec。3.结合水热法和电沉积法在泡沫镍上构筑了一种双功能的电催化剂NiCo/NiCo_2S_4@NiCo/NF。由于其独特的“蘑菇状”多层级纳米阵列结构以及NiCo_2S_4与NiCo氢氧化物之间有效的耦合效应,NiCo/NiCo_2S_4@NiCo/NF电极在强碱性环境中,表现出优于大多数非贵金属催化剂的HER和OER活性。作为OER催化剂,NiCo/NiCo_2S_4@NiCo/NF电极达到100 mA/cm~2的高电流密度仅需要294 mV的过电位;作为HER催化剂,NiCo/NiCo_2S_4@NiCo/NF电极在10mA/cm~2时的过电位为132 mV。另外,NiCo/NiCo_2S_4@NiCo/NF作为双功能催化剂应用于碱性电解水体系中,达到10 mA/cm~2时电解槽的电压仅为1.55 V,并且至少可以稳定工作27h。
【图文】：

1图 1-1 “氢经济”链的示意图[3]Fig. 1-1Aschematic illustration of ‘‘hydrogen economy’’，氢能源被认为是一种清洁能源，广泛用于研究[4]。作为一，氢能具有以下几个优点：(1) 来源丰富，可通过风能色能源转换制得；(2) 燃烧热值高，能量密度大；(3) 燃

天津大学硕士学位论文[5-7]。此外，氢能与燃料电池组成的“氢经济”链 (如图 1源的转换，存储和利用等一系列问题[3]。“氢经济”链由两太阳能和风能等可再生能源发电产生的过剩电能电解水制氢气作为日常生活所需的燃料直接燃烧使用，另一部分氢再转化为稳定的电能，，为交通和工业生产提供持续的绿经济”体系中，电解水制取氢气是能源转换和利用的关键环通过电解水制备氢气成为当前科研研的重点[8-10]。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.2

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本文编号：2607334