钴钼氧化物碱性水电解电极的制备与研究

发布时间：2020-11-10 00:49

　　 在电催化水分解领域,混合金属氧化物由于综合性能优异而受到广泛关注。催化剂的微观形貌对其电化学催化性能有重要的影响,通过对混合金属氧化物微观形貌的设计,有可能制备出低成本、高性能的水电解催化剂。本文以CoMoO_4及其与Co_3O_4的混合材料为研究对象,利用水热反应制备出新型泡沫镍基钴钼金属氧化物涂层电极。采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能量色散X射线光谱仪(EDX)、X-射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、激光显微拉曼(Raman)光谱等表征电极的表面形貌、元素组成及价态、晶体结构等。文中通过电化学工作站测试不同结构形貌催化剂的电化学阻抗谱(EIS)、Tafel斜率、线性扫描极化曲线(LSV)、循环伏安曲线(CV)及电化学活性面积(ECSA)、电极I-t曲线等分析电极的电化学性能,并进行比较。本文探究了CoMoO_4的生长机理,并通过形貌设计对其水热反应工艺条件进行了优化,得到了一次水热反应生成CoMoO_4纳米片结构催化层时,使用聚乙二醇-400作为水热反应的前驱体溶剂,溶质中Co、Mo摩尔比为1:1,反应温度为200oC,水热时间为20 h时制得电极的电催化析氢性能较好。首次将CoMoO_4和Co_3O_4的混合材料应用于双功能水分解领域,通过二次水热法制得CoMoO_4/Co_3O_4/NF电极,形成了覆盖在CoMoO_4二维纳米片上的由一维Co_3O_4纳米线围成的蜂窝状结构。该多等级纳米结构的协同效应使该电极的催化性能得到显著提高。该电极双电层电容值为两组对照组电极电容值之和的1.5倍以上,EIS图谱得到的电荷转移电阻值也仅为CoMoO_4纳米片的20%。CoMoO_4/Co_3O_4/NF电极具有出色的电催化活性,其在碱性介质中达到10 mA·cm~(-2)电流密度,析氢反应(HER)和析氧反应(OER)需要的过电位仅为143mV和244mV,远优于对照组的CoMoO_4纳米片电极,Co_3O_4纳米线电极及裸泡沫镍电极,接近甚至超越商业贵金属电极。此外,该双功能水分解电极在10 mA·cm~(-2)条件下所需要的电压仅为1.61V,并在超过30 h的电解时间内保持较好的稳定性。本文研究表明,CoMoO_4纳米片电极和CoMoO_4/Co_3O_4/NF电极在电催化水分解领域具有良好的应用前景。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TQ116.2
【部分图文】：

进行考虑；另一方面也是最为重要的是寻找到一种电催化性能优异、价格低廉的催化材料，通过材料本身的固有特性和结构特点直接降低电解电势。图1-1 电解水原理示意图Fig. 1-1 The schematic diagram of the electrolysis of water长期以来，人们一直认为贵金属催化剂具有几乎最好的催化性能，也将其作为衡量材料催化活性的标准。铂基催化剂在析氢反应过程中，二氧化铱、二氧化铷等贵金属氧化物在析氧反应过程中都具有非常优异的催化性能。但这些贵金属或贵金属氧化物都面临着地球上储量较少，价格非常昂贵，无法大规模应用于工业化生产的问题。因此，科学家们也在不断的寻找可替代的非贵金属催化剂作为电解水过程的催化材料。1.2.1 电催化析氢反应（HER）研究现状析氢反应（HER）的研究由来已久，也是与现实利益密切相关的研究热点。在过去十数年间，由于可再生能源需求的增加和燃料电池工业化规模的使用，电

图1-2 OER反应机理[20]Fig. 1-2 The OER mechanism[20]应是水分解的半反应之一，是发生在阳极的四电子反应过程不同的环境中阴、阳两极的反应也是不同的。在酸性条件下（H+得到电子生成氢气，而阳极的水分子失去电子变成O2和H如红线所示），阴极H2O分子得到电子生成H2和OH-，阳极的和H2O。同时，关于在酸性和碱性条件的OER反应机理，主要：一是两个MO分子结合，形成了O2和M（如绿线所示）；另一产物的形成，先生成MOOH，再形成M和O2（如黑线所示）。比较OER催化剂的性能，McCrory等人[21]提出了一个评价OE标准，其中建议测量的部分包括元素组成、表面积、法拉第效定性等。同时，电解质环境也最好固定为酸性条件为1 M H2M NaOH，并建议在室温，1标准大气压的外部条件下测量单位A·cm-2电流密度下的过电位，此值大约等同于光解水效率预期

本文所采用的实验装置有水热反应系统和电化学性能测试系统等。2.2.1 水热反应系统本实验所采用的水热反应系统如图2-1所示，以聚四氟乙烯为内衬，不锈钢反应器作为外部装置，将所要制备的电极和前驱体溶液置于内衬中，密封好。置于恒温干燥箱中以一定温度加热一定时间即可。在这个过程中，水热反应釜内部会形成高温、高压的条件，模拟自然条件下矿物质中晶核形成的过程，可以实现纳米结构和形貌的调控，从而合成性能优异的纳米材料。
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本文编号：2877208