原位生成NiFe-LDH中阳离子空位的调控及其电析氧催化性能研究

发布时间：2020-10-09 19:52

　　电解水是最方便、绿色和可持续的制氢方法之一。然而,析氧反应(OER)具有缓慢的动力学和高过电位,而被认为是限制电解水发展的主要因素。最近,作为OER电催化剂的层状双氢氧化物(LDH)由于其可调的化学组分和独特的电子结构而引起了很大的兴趣。由于可调节的Ni~(2+)和Fe~(3+)的协同效应,NiFe-LDH被公认是一种很好的OER电催化剂。但是由于NiFe-LDH自身结构及导电性的限制,其活性位点暴露并不充分,而且其活性位点的催化活性不能得到最大程度的利用。NiFe-LDH中的阳离子空位是改善其质量传输能力、增加其活性位点、提高其OER性能最有效的方法。然而现有的制备富含阳离子空位Ni Fe-LDH的方法都存在工艺比较复杂,设备昂贵,原料毒性大,制备周期长等缺点,而且制备出的样品大都为粉末状态,需要添加导电剂和粘接剂,影响电极的催化性能和稳定性。本课题首先利用阳极氧化法在1j83合金表面原位生成一层结合力良好的阳极氧化膜作为前驱体;然后通过碱性水热将膜层转化为NiFe-LDH,并将膜层中Mo元素溶出而得到阳离子空位;研究还发现通过改变水热温度可以控制膜层中阳离子空位的含量。研究表明,阳极氧化最佳参数为:1wt.%NH_4F+80wt.%H_3PO_4的电解液成分,5 V的阳极氧化电压和15 min的阳极氧化处理时间;碱性水热最佳参数为:0.2 M NaOH水溶液作为水热溶液,在120℃温度条件下水热制备4 h。对阳极氧化+碱性水热两步法制备的NiFe-LDH催化剂进行了详细的电化学表征,结果表明:研究中制备的NiFe-LDH电极的OER性能良好,电流密度为10 mA cm~(-2)时的过电位仅为250 mV,而300 mV过电位时的电流密度达到了104 mA cm~(-2),与商用IrO_2/C催化剂相比有了极大的提升;研究中制备的NiFe-LDH电极可以直接用作电解水阳极材料,而不需要任何的粘接剂,具有良好的稳定性,在恒流条件下测试其寿命24 h未发生明显衰减。本课题研究的富含阳离子空位Ni Fe-LDH电极的制备方法有望推广到其它析氧电极的研究,为电解水制氢的工业化应用提供关键材料。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ116.21
【部分图文】：

示意图,示意图,电解水,碱性电解

成本低、来源广，所以具有较高的研究价值，但是目前该领域的研究依段，技术相对不成熟，无法应用于生产。相比于前述的各个制氢技术，电低、设备简单、技术成熟、能制备出高纯的氢气而备受瞩目，成为了目前技术。电解水制氢解水是一种比较成熟的制氢方法，有着悠久的历史。1800 年，Nicholson 和出电解水的概念，从此电解水技术开始逐步发展成熟起来[10]。工业水电解也已有 100 多年历史[11]。最初，电解水的介质为酸性电解液，但酸性物质电解槽等设备的腐蚀问题，至今仍没有稳定且高效的酸性电解水催化剂，模应用于工业生产。在 1978 年，科学家开发了碱性电解水，其与酸性电是：操作简单，成本低且腐蚀性较低[12]。图 1-1 为碱性电解水装置的示意电源、电解槽、电解液、隔膜、阴阳两电极及其催化剂组成。

晶体结构,八面体间隙,尖晶石型

图 1-2 RuO2的晶体结构Figure 1-2 Crystal stucture of RuO2氧化物由于其显着的催化性能，高导电性和优异的结构稳领域。尖晶石型氧化物的通式为 AB2O4，其通常由 A 和在八面体间隙处的+3 价态的阳离子 B 组成，其结占据每个八面体或四面体位置的方式，尖晶石或者构。对于正常尖晶石结构，所有 A2+阳离子都占据据八面体间隙。然而，在反尖晶石结构中，A2+存在位于四面体间隙，另一半位于八面体间隙。因为电生跃迁，所以尖晶石结构通常表现出良好的导电性大多数尖晶石型氧化物是掺杂了其他过度金属或碱

尖晶石型,晶体结构,尖晶石,工程硕士学位

华南理工大学工程硕士学位论文种现象可能是由于对 Jahn-Teller 畸变的抑制[28]，类似＜x＜1）体系可以在降低 Mn 含量的情况下发挥更好石双金属氧化物与单金属尖晶石氧化物相比表现出属氧化物中的不同金属离子在 OER 中可能发挥不是一种比较有效的提高尖晶石 OER 性能的方法[29-

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