钴基非贵金属材料的设计、合成及电催化水氧化性能的研究

发布时间：2020-07-05 17:55

【摘要】：为了满足现代社会的能源需求,目前仍在努力寻求可持续、清洁和高效的能源。而氢能由于来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多、储能方便和安全性能好等优点脱颖而出,是能源领域的未来之星,更是被业界专家称为“终极能源”。电解水制氢实现了电能和化学能之间的转换,且在释放能量时没有伴随着污染性物质的产生,因此被科学家认为是获取氢气的最佳可行方案之一。而水氧化在动力学上非常缓慢,涉及复杂的四质子和四电子转移过程,至今为止仍然是电解水制氢的瓶颈。早期很多研究着力于开发钌和铱氧化物作为水氧化催化剂,但贵金属的高成本、稀缺性限制了其大规模应用。目前,很多研究着力开发各种成本低廉、高效稳定的非贵金属催化剂。本论文总结了电催化水氧化的研究进展和多种催化剂材料在水氧化领域的应用,围绕设计、合成了多种钴基非贵金属催化材料,并且针对它们的结构、组成及在电催化水氧化方面的催化性能进行了一系列的研究,主要研究内容如下:1.通过简单的搅拌方法成功合成了一类Co-MOF配合物,再以Co-MOF为牺牲模板煅烧成功合成了Co_3O_4纳米材料。发现在350℃下获得的Co_3O_4纳米催化剂催化活性最好,达到10mA/cm~2的过电势为420mV,Tafel斜率为55 mV/dec。2.通过简易的一锅水热法合成一种新型的Co_3O_4/Co(OH)_2杂化材料,表现出强烈的相互作用效应,作为一种高效的电催化水氧化催化剂。达到10mA/cm~2需要373mV的过电势,Tafel斜率为103mV/dec。3.采用水热法和煅烧法合成了ACo_2O_4/NF(A=Mn,Zn,Ni)复合物直接作为电极材料。本章引入泡沫镍制成自支撑电极,研究了掺杂不同金属离子对催化剂水氧化性能的影响。我们获得了这样一个OER性能顺序:NiCo_2O_4/NFMnCo_2O_4/NFZnCo_2O_4/NF,其中NiCo_2O_4/NF在1 M KOH溶液中,达到10 mA/cm~2时表现出很小的过电势271 mV。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【图文】：

伏安图,电化学活性,线性扫描,伏安

7正（a）和校正（b）电化学活性表面积（ECSA）时，Co3O4的线性扫描曲线。 The uncorrected (a) and corrected (b) electrochemically active surface area (Elinear-sweep voltammetry (LSV) curves of Co3O4.氧化的氧化物催化剂种类氧化物，RuO2和 IrO2金属氧化物都是金红石结构，其中 Ru 和 Ir 位于八面体中心位置面体通过共用角相互连接，一类典型的 RuO2 的结构如图 1.2 所通常被认为是 OER 的基准电催化剂，因为它们在酸性和碱性溶液

酸性电解质,电催化剂,晶体结构,性能

中北大学学位论文具有较高的电催化活性[36-37]。然而，如图 1.2（b）所示，RuO2和 IrO2的 OER 性能在很大程度上受样品制备方法的影响。例如，IrO2薄膜表现出优异的 OER 活性，在 = 0.275V下可以达到 0.1 JgeomA cm-2，而 RuO2纳米颗粒在相同的过电势下只显示 0.01 JgeomAcm-2。Cherevko 等[38]已经证明，RuO2在阳极高电位下是不稳定的，在 OER 过程中 RuO会变质（溶解），而 IrO2比 IrO2更稳定。同时 RuO2和 IrO2的分解机理被提出，也就是说，在阳极条件下，（Ru4+)O2转化成含水化合物 RuO2(OH)2和去除质子化为高氧化态(Ru8+)O4，在电解质中不稳定，可以进一步溶解在溶液中（伴随着颜色变化），从而导致 RuO2催化剂的劣化。IrO2的类似情况也已被指出，高氧化态 (Ir6+)O3将在阳极高电位下形成，并将进一步溶解在电解质中[39-40]。

【参考文献】