Fe，Co，Ni基多级结构电极的构筑及其电催化分解水的性能研究
发布时间：2020-07-04 06:01
【摘要】：化石能源的逐渐耗尽和随之产生的环境问题已经成为人类社会发展过程中最亟待解决的问题。在开发可持续能源的探索过程中,氢能被公认为是最有潜力的能源载体之一。光电/电催化分解水制氢是众多氢气来源中最清洁的一种,但传统的最佳电催化裂解水的催化剂均为贵金属材料,其高价格和低储量限制了电解水制氢工业的发展。而过渡金属化合物以其廉价易得、高效稳定的优点越来越多地得到学者的关注。为了优化过渡金属化合物电催化剂的性能,对其组分、结构、形貌和系统的调控已经成为该研究领域的主流方向。本文基于对过渡金属化合物的组分的调控和结构的设计,制备了以过渡金属氧化物、硫化物和氢氧化物为基础的自支撑多级结构电极,并主要将其应用于催化电解水的析氧反应,同时探索其在析氢反应催化方面的应用。论文内容主要分为以下两个方面:FeCoNi三元层状金属氢氧化物和NiCo_2O_4复合材料多级结构电极(FeCoNi-LTH/NiCo_2O_4/CC)的制备及其性能研究和NiCo层状双金属氢氧化物和NiCo_2S_4复合材料多级结构电极(NiCo-LDH/NiCo_2S_4/CC)的制备及其性能的研究。对于FeCoNi-LTH/NiCo_2O_4/CC多级结构电极,首先制备了NiCo_2O_4纳米针阵列,再使用阴极电沉积法将FeCoNi三元层状金属氢氧化物纳米片负载在纳米针表面。这种三元层状金属氢氧化物具有较LDH材料更优异的性能,且多级结构的组装为电极提供了巨大的电化学活性表面积和通畅的物质运输通道,这些优点使其成为性能优异的OER催化剂,并同时具有HER催化性能,可在碱性溶液中电催化水分解的全反应。在OER催化中,该电极只需要302mV的过电位即可达到50mA cm~(-2)的电流密度,在HER催化中,只需要151mV的过电位即可达到20mA cm~(-2)的电流密度,并具有出色的稳定性。使用该电极作为电解水装置的阴阳极时,只需要1.65V的电压即可达到50mA cm~(-2)的电流密度。对于NiCo-LDH/NiCo_2S_4/CC多级结构电极,纳米针阵列基底使用了硫化物,使其催化活性得到进一步提升,其上沉积的NiCo-LDH保证了NiCo_2S_4的稳定性,使整个电极的稳定性得到保证。表征和测试结果表明,该电极是当前性能最出色的非贵金属基催化剂之一,它在OER催化中只需要254mV的过电位即可达到50mA cm~(-2)的电流密度,在HER催化中只需要219mV的过电位即可达到50mA cm~(-2)的电流密度。经过研究发现,这两种多级结构电极的优异性能主要来源于以下几点:(1)多级结构暴露了大量的反应活性位点并增强了物质传输过程。(2)各级材料间良好的接触导致了快速的电荷传递过程。(3)反应过程中生成的新的OER催化反应的活性物质羟基氧化物进一步促进了反应。这些因素为这两种电极带来了优异的性能,并为过渡金属基电催化剂的设计与制备提供了良好的思路。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【图文】：
图 1-1 酸性条件（蓝线）和碱性条件（红线）下的 OER 机理示意图。80 年第一次关于 OER 催化剂的报告以来[27]，人们已经作出了大于地球上丰富的元素如 Ni，Co 和 Fe 的各种 OER 电催化剂。通重要参数可以更好地评估和比较这些 OER 电催化剂的催化活性括催化活性，Tafel 图，法拉第效率，转换频率（TOF）以及稳性通常通过测量循环伏安法（CV）或线性扫描伏安法（LSV）第电容电流可能会贡献总电流的一定部分，则只能从 CV 和 L估。为了容易地比较催化活性，人们提出了两种不同的评估方的稳态电流下测量过电位和在固定的过电位下测量稳态电流。LSV 结果变化所得的 Tafel 图反映了过电位（η）和电流密度（fel 图的线性区域可以拟合成 Tafel 方程（η= blogj+ a，其中 bel 斜率的值可用于比较催化剂的 OER 催化活性，并提供有关反。此外，当假设 η 为零时，可以从 Tafel 方程式获得另一个重要j0）。参数 j0是材料在可逆电位下的本征电催化活性的量度。良应具有较低的 Tafel 斜率和较大的交换电流密度。
7 1-2 (A) Co3O4纳米片的微波辅助水热合成示意图。(B，C) Co(CO3)0.5(OH)0.11H2O 的低和率场致发射扫描电子显微镜（FESEM）图像。(D，E) 具有介孔结构的 Co3O4的低和高倍FESEM 图像。[30]Choi 等人[31]合成了一种尖晶石型 ZnCo2O4薄膜，它表现出了相对较低的过（在 10 mV cm-2下为 390mV）。但是锌在催化中起直接作用还是仅仅调节钴材氧化还原电位尚不清楚。类似地，通过掺杂 Mn，Fe，Co 和 Ni 可以降低 ZnO电位，钴掺杂的影响最大（近似 150 mV）。Eychmuller 等人[32]报道了一系列使便方法成功合成的镍钴氧化物空心纳米管的研究。其多孔和中空纳米结构以分之间的协同效应极大地增强了 OER 活性。NiCo2O4是具有尖晶石结构的混化物，其中镍占据八面体位点，钴分布在八面体和四面体位置。在这种结构态氧化还原对 Co3+/Co2+和 Ni3+/Ni2+的存在赋予其显着的电催化活性。[33]近年来于其优异的电化学活性和高导电性，NiCo2O4作为 OER 催化剂已经引起了广兴趣。Liu 等人[34]报道了通过简便溶液法合成的长在多壁碳纳米管上的尖晶iCo2O4作为 OER 电催化剂。引入的多壁 CNT 可以为 NiCo2O4纳米片的生长提
本文编号：2740748
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【图文】：
图 1-1 酸性条件（蓝线）和碱性条件（红线）下的 OER 机理示意图。80 年第一次关于 OER 催化剂的报告以来[27]，人们已经作出了大于地球上丰富的元素如 Ni，Co 和 Fe 的各种 OER 电催化剂。通重要参数可以更好地评估和比较这些 OER 电催化剂的催化活性括催化活性，Tafel 图，法拉第效率，转换频率（TOF）以及稳性通常通过测量循环伏安法（CV）或线性扫描伏安法（LSV）第电容电流可能会贡献总电流的一定部分，则只能从 CV 和 L估。为了容易地比较催化活性，人们提出了两种不同的评估方的稳态电流下测量过电位和在固定的过电位下测量稳态电流。LSV 结果变化所得的 Tafel 图反映了过电位（η）和电流密度（fel 图的线性区域可以拟合成 Tafel 方程（η= blogj+ a，其中 bel 斜率的值可用于比较催化剂的 OER 催化活性，并提供有关反。此外，当假设 η 为零时，可以从 Tafel 方程式获得另一个重要j0）。参数 j0是材料在可逆电位下的本征电催化活性的量度。良应具有较低的 Tafel 斜率和较大的交换电流密度。
7 1-2 (A) Co3O4纳米片的微波辅助水热合成示意图。(B，C) Co(CO3)0.5(OH)0.11H2O 的低和率场致发射扫描电子显微镜（FESEM）图像。(D，E) 具有介孔结构的 Co3O4的低和高倍FESEM 图像。[30]Choi 等人[31]合成了一种尖晶石型 ZnCo2O4薄膜，它表现出了相对较低的过（在 10 mV cm-2下为 390mV）。但是锌在催化中起直接作用还是仅仅调节钴材氧化还原电位尚不清楚。类似地，通过掺杂 Mn，Fe，Co 和 Ni 可以降低 ZnO电位，钴掺杂的影响最大（近似 150 mV）。Eychmuller 等人[32]报道了一系列使便方法成功合成的镍钴氧化物空心纳米管的研究。其多孔和中空纳米结构以分之间的协同效应极大地增强了 OER 活性。NiCo2O4是具有尖晶石结构的混化物，其中镍占据八面体位点，钴分布在八面体和四面体位置。在这种结构态氧化还原对 Co3+/Co2+和 Ni3+/Ni2+的存在赋予其显着的电催化活性。[33]近年来于其优异的电化学活性和高导电性，NiCo2O4作为 OER 催化剂已经引起了广兴趣。Liu 等人[34]报道了通过简便溶液法合成的长在多壁碳纳米管上的尖晶iCo2O4作为 OER 电催化剂。引入的多壁 CNT 可以为 NiCo2O4纳米片的生长提
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 王璐;牟佳琪;侯建平;张伟华;沈颖莹;姜颖;李永峰;;电解水制氢的电极选择问题研究进展[J];化工进展;2009年S1期
本文编号：2740748
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