镍铁磷酸盐微/纳米材料的合成及其电催化水裂解性能

发布时间：2021-04-12 17:39

　　进入新世纪以来,电化学水分解技术因为可以生产具有高比热容的可持续且清洁的氢燃料和氧气而引起了科研人员广泛的兴趣。与电催化水裂解全过程中的析氢反应相比,电催化析氧由于它的反应发生包含四个电子的转移过程从而会使反应在动力学上较为困难一些,需要很高的过电势才能产生足够的电流密度。因此,为了在较低的过电势下加速析氧反应过程,目前商业常常使用一些贵金属如RuO2/Ir O2等催化剂。然而,由于贵金属昂贵的成本和地球上的稀缺性,它们的大规模应用受到了限制。为了克服上述问题,用非贵金属催化剂材料取代成为必然的趋势。在众多非贵金属催化剂中,过渡金属磷酸盐,由于其内在的电催化活性被广泛运用于电化学水裂解领域。已经发现一些过渡金属磷酸盐催化剂表现出比贵金属催化剂接近或更好的催化活性。然而,对于进一步提高其催化活性,循环稳定性,耐久性以及大规模生产,前人还少有研究。本文通过简单快速的水热、球磨机球磨以及超声的方法合成了一系列的镍铁磷酸盐催化剂。运用控制变量的方法,调节催化剂的形貌、粒径大小以及镍铁比例,以期达到最优的催化电性能。论文的主要内容如下:1.以泡沫镍（NF）为基底,泡沫镍（NF）和Fe（NO

【文章来源】：安徽师范大学安徽省

【文章页数】：92 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

二维非晶FePO4纳米片在Ni泡沫上的合成与结构示意图

5过电位势为248mV，100mAcm-2的电流密度下过电势需要323mV，同时具有非常小的tafel斜率45mVdec-1。超薄的一维结构暴露出更多非晶氢氧化铁包覆后的活性位点，导致活性位点镍表现出更强大的析氧性能，如图1-2所示。图1-2单壁磷酸镍纳米管TEM图(a)STEM图(b)，(a)中插图为高倍放大图像。(c)单壁磷酸镍纳米管的EDX谱图（铜和碳信号来源于铜栅极基板）。(d)(b)图中EDX扫描镍，磷，铁的分布，(e)STEM图和EDX元素分布图。Fig.1-2(a)TEMimageand(b)STEMimageofNiPOSWNTs,theinsetof(a)isthehigh-magnificationimage.(c)EDXspectrumofNiPOSWNTs(thesignalsofCuandcarbonarederivedfromthecoppergridsubstrate).(d)EDXlinearscanningofNi,P,andOalongthelineasindicatedin(b).(e).STEMimageandEDXelementalmapsofabundleofNiPOSWNTs.2.2水热法水热合成方法是指以水作为反应的溶剂，在封闭的体系中，施以较高的温度和较高的压力发生的反应，再处理反应产物的方法。Zeng课题组[16]，以氯化钴为钴源，磷酸氢二钠为磷酸源，水热条件下合成氢氧化钴，再通过室温下转化为超薄磷酸氢钴(CoHPi)纳米片。基于不同反应阶段的研究，发现α-Co(OH)2向超薄磷酸氢钴纳米片的转化实际上涉及了预溶解和再沉淀的过程，其中的α-Co(OH)2既用于Co源，又用于磷酸氢钴(CoHPi)纳米片的模板。厚度为3nm的磷酸氢钴(CoHPi)纳米片包含磷酸一氢根阴离子，它被用于析氧反应(OER)中的质子耦合电子转移过程中充当质子受体。由于其超薄的结构和阴离子中包含质子受体的优点，磷酸氢钴(CoHPi)纳米片拥有出色的析氧反应(OER)催化性能，在10mAcm-2电流密度下的过电位仅为314mV，tafel斜率

6为31mVdec-1。相关合成步骤和TEM如图1-3所示。图1-3由六角形α-Co(OH)2血小板形成CoHPi纳米薄片的示意图。与该结构演变有关的样品的TEM图像：(a，b)六方α-Co(OH)2血小板前体，(c，d)反应2小时后获得的样品，(e，f)反应3小时后的样品，(g，h)反应20小时后获得的最终2D-CoHPi样品。Fig.1-3SchematicillustrationoftheformationofCoHPinanoflakesfromthehexagonalα-Co(OH)2platelets.TEMimagesofsamplesrelatedtothisstructuralevolution:(a,b)hexagonalα-Co(OH)2plateletprecursor,(c,d)samplesobtainedafter2hofreaction,(e,f)after3hofreaction,and(g,h)final2D-CoHPisampleobtainedafter20hofreaction.Zhao课题组[17],报道了一种新型三维铁掺杂磷酸镍催化剂，该催化剂首先以泡沫镍作为镍源，水热的方法合成镍磷酸盐前驱体，后运用电沉积的方法，以氢氧化铁为溶液，掺杂入铁。所合成的铁掺杂磷酸镍在浓度为1M的KOH溶液中在电流密度为10mAcm-2下的过电位需要220mV，500mAcm-2电流密度下的过电位为290mV，文中称为迄今为止最好的镍基析氧反应(OER)催化剂。此外，文中也探究了在电解液浓度为5M的氢氧化钾溶液中，铁掺杂磷酸镍在达到1600mAcm-2下的所需要的过电位仅为332mV。并且稳定性良好，意味着满足工业碱性电解系统的需求。2.3微波法运用微波的快速加热、均质的特点，加快反应发生。由于微波加热制备法具有操作容易，对仪器要求易达到等优点，是生产高性能纳米材料的重要技术之一。此外，由于微波法需要的反应时间相对较少，可以扩大反应等显著优势，逐渐在无机材料合成方面崭露头角[18-21]。

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3133704