化学刻蚀双金属层状氢氧化物用于增强的氧析出反应
发布时间：2021-09-11 21:31
电解水是非常有希望应用于能量的储存与转换,但缓慢反应动力学的氧析出反应阻碍了其广泛应用。由于氧析出反应对绿色能源生产和储存的重要性,人们一直在寻找高效、低成本的氧析出电催化剂。贵金属氧析出催化剂的大规模应用受到其高成本和稀缺性的严重制约,而双金属层状氢氧化物（LDHs）由于其独特的层状结构和较好氧析出性能,常被认为有望替代贵金属用于氧析出反应。然而,LDHs的广泛应用受到其电子性质和活性位点的限制。本文主要通过化学刻蚀LDHs来优化结构和电子结构用于增强的氧析出反应,具体内容主要如下:1.作者通过简单有效的酸刻蚀LDHs的方法,在室温下对LDHs成功实现了缺陷的引入和形貌结构的优化。酸刻蚀能够增加无序度、提高导电性和调整表面性质,同步辐射数据和透射电子显微镜图像为酸蚀刻后形成多种空位提供了强有力的证据,这些空位从而导致氧析出催化活性的增强。同时,酸刻蚀使得LDHs纳米片变薄和表小,暴露了更多的活性位点。本研究不仅揭示了空位缺陷对电催化剂的关键作用,而且还开辟了一个简单的路线来优化电子结构和表面性质来设计开发未来的电催化剂。2.基于LDHs的体相形式和导电性差等问题,作者通过简单有效、方...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
酸性电解液（蓝线）和碱性电解液（红线）中的OER机理其中黑线代表形成过氧化物，黑线代表形成过氧化物MOOH中间体的反应过程，绿线代表两个含氧中间体M-O直接生成
硕士学位论文结构稳定性和导电性。FeNi-LDH 和 Mxene 之间强的相互作用和突出的电荷转移不仅提高了 FeNi-LDH/Ti3C2-Mxene 复合物的结构稳定性和导电性，而且也加快了FeNi-LDH 在氧析出过程中的氧化还原。得到的 FeNi-LDH/Ti3C2-Mxene 复合物在碱性条件下的氧析出性能、反应动力学和稳定性都比 RuO2和 FeNi-LDH/rGO 的好同理，也有很多研究工作者将 LDHs 负载到石墨烯[54-56]或者和碳量子点[57]复合以提高 LDHs 的导电性，从而增强氧析出催化性能。这种能大幅提高氧析出催化活性的关键因素就是载体与 LDHs 之间的协同作用及载体非常好的导电性克服了LDHs 导电性差的缺点。
1.3.2.2 LDHs 的结构和电子结构调控除了将 LDHs 负载到高导电性的载体上以外，还可以改变其形貌结构通过暴露更多的活性位点和调控电子结构来提高 LDHs 的氧析出催化性能。LDHs 层间存在阴离子大多数情况下为一些无机阴离子小分子，除此之外，有机物阴离子、生物分子和纳米颗粒也能进入层间，这些阴离子分割并且平衡 LDHs 的主体层板。因此，将 LDHs 剥离成单层或者少层结构来增加氧析出催化活性是一种非常有效的方法。Hu[60]课题组先通过阴离子交换来减小与主体层板的作用力，再在甲酰胺中成功剥离得到单层的 LDH 纳米片（图 1.4），厚度约为 0.8 nm。并且单层的 LDH在超声剥离的过程中形貌发生了破坏，导致了更多缺陷的形成和边缘开放配位位点数目的增加。剥离后的 LDH 相对于剥离前具有更好的导电性和电化学稳定性以及更多的活性边缘。在碱性环境下，剥离得到的单层 LDH 的氧析出催化性能远远好于剥离之前的 LDHs，甚至剥离得到的单层 NiFe-LDH 的氧析出催化性能要比商业的 IrO2还要好得多，这主要是因为剥离后单层 LDH 的活性位点和电化学活性面积得到了显著地增加，并且降低了电荷转移的电阻。
【参考文献】：
期刊论文
[1]阴离子对氮掺杂石墨烯修饰金属双氢氧化合物结构与赝电容性能的影响（英文）[J]. Nasir Mahmood,Muhammad Tahir,Asif Mahmood,杨文龙,古兴兴,曹传宝,张亚文,侯仰龙. Science China Materials. 2015(02)
本文编号：3393755
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
酸性电解液（蓝线）和碱性电解液（红线）中的OER机理其中黑线代表形成过氧化物，黑线代表形成过氧化物MOOH中间体的反应过程，绿线代表两个含氧中间体M-O直接生成
硕士学位论文结构稳定性和导电性。FeNi-LDH 和 Mxene 之间强的相互作用和突出的电荷转移不仅提高了 FeNi-LDH/Ti3C2-Mxene 复合物的结构稳定性和导电性，而且也加快了FeNi-LDH 在氧析出过程中的氧化还原。得到的 FeNi-LDH/Ti3C2-Mxene 复合物在碱性条件下的氧析出性能、反应动力学和稳定性都比 RuO2和 FeNi-LDH/rGO 的好同理，也有很多研究工作者将 LDHs 负载到石墨烯[54-56]或者和碳量子点[57]复合以提高 LDHs 的导电性，从而增强氧析出催化性能。这种能大幅提高氧析出催化活性的关键因素就是载体与 LDHs 之间的协同作用及载体非常好的导电性克服了LDHs 导电性差的缺点。
1.3.2.2 LDHs 的结构和电子结构调控除了将 LDHs 负载到高导电性的载体上以外，还可以改变其形貌结构通过暴露更多的活性位点和调控电子结构来提高 LDHs 的氧析出催化性能。LDHs 层间存在阴离子大多数情况下为一些无机阴离子小分子，除此之外，有机物阴离子、生物分子和纳米颗粒也能进入层间，这些阴离子分割并且平衡 LDHs 的主体层板。因此，将 LDHs 剥离成单层或者少层结构来增加氧析出催化活性是一种非常有效的方法。Hu[60]课题组先通过阴离子交换来减小与主体层板的作用力，再在甲酰胺中成功剥离得到单层的 LDH 纳米片（图 1.4），厚度约为 0.8 nm。并且单层的 LDH在超声剥离的过程中形貌发生了破坏，导致了更多缺陷的形成和边缘开放配位位点数目的增加。剥离后的 LDH 相对于剥离前具有更好的导电性和电化学稳定性以及更多的活性边缘。在碱性环境下，剥离得到的单层 LDH 的氧析出催化性能远远好于剥离之前的 LDHs，甚至剥离得到的单层 NiFe-LDH 的氧析出催化性能要比商业的 IrO2还要好得多，这主要是因为剥离后单层 LDH 的活性位点和电化学活性面积得到了显著地增加，并且降低了电荷转移的电阻。
【参考文献】：
期刊论文
[1]阴离子对氮掺杂石墨烯修饰金属双氢氧化合物结构与赝电容性能的影响（英文）[J]. Nasir Mahmood,Muhammad Tahir,Asif Mahmood,杨文龙,古兴兴,曹传宝,张亚文,侯仰龙. Science China Materials. 2015(02)
本文编号：3393755
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