析氧用功能碳耦合钴铁氢（羟基）氧化物材料的构筑及合成

发布时间：2023-12-21 17:02

　　氢能由于其高能量密度以及零污染物排放等优势,被认为是极具发展潜力的清洁可再生能源。其中,通过电催化水裂解制氢在未来新能源领域展现出巨大的应用前景。然而,由于阳极析氧反应涉及四个电子的转移,使其动力学迟缓,严重影响水裂解制氢的能源转化效率。因此,开发高效稳定的非贵金属催化剂,降低析氧反应过电势并提高水裂解制氢效率成为推动电催化水裂解制氢工业化应用的关键。围绕这一关键科学问题,本文采用不同的技术方法设计构筑系列功能碳耦合钴铁氢(羟基)氧化物复合材料,通过优化复合材料的形貌结构、电子/配位结构等,调控并改善了催化剂的活性位点暴露率与利用率以及离子与电子传输速率,从而实现析氧反应活性和动力学性能的提升。以氢氧化钴为母体,通过掺杂Fe3+制备了二维钴铁双金属层状氢氧化物(CoFe-LDH)纳米片。Fe3+的引入有效调控了二维纳米片的层板间距,由4.7 A(氢氧化钴)扩大至7.9 A(CoFe-LDH)。发现扩大的层板间距有助于析氧反应过程中的质量传递,从而提高了CoFe-LDH纳米片的电化学活性,在10 mA cm-2的过电位仅为340 mV。以氧化石墨烯(GO)为导电基底,耦合CoFe-LDH...

【文章页数】：159 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 制氢技术简介
        1.2.1 化石燃料制氢
        1.2.2 生物质制氢
        1.2.3 光催化水裂解制氢
        1.2.4 电催化水裂解制氢
    1.3 电催化水裂解制氢概述
        1.3.1 电催化水裂解发展历程
        1.3.2 电催化水裂解反应原理
        1.3.3 阴极析氢反应机理分析
        1.3.4 阳极析氧反应机理分析
    1.4 钴、铁基析氧电催化剂研究进展
        1.4.1 金属氧化物
        1.4.2 金属氢氧化物
        1.4.3 金属羟基氧化物
        1.4.4 金属磷化物
        1.4.5 金属硫族化物
    1.5 本文主要研究思路与内容
2 实验部分
    2.1 实验所用试剂与原料
    2.2 实验设备
    2.3 分析表征仪器
    2.4 材料表征方法
        2.4.1 扫描电子显微镜
        2.4.2 透射电子显微镜
        2.4.3 粉末X射线衍射
        2.4.4 傅立叶变换红外光谱
        2.4.5 拉曼光谱
        2.4.6 氮气物理吸附
        2.4.7 X射线光电子能谱
        2.4.8 电感耦合等离子体原子发射光谱
        2.4.9 热重分析
        2.4.10 X射线吸收精细结构谱
    2.5 电催化析氧反应工作电极的制备与测试
        2.5.1 玻碳电极的预处理
        2.5.2 析氧工作电极的制备
        2.5.3 电极材料析氧性能的测试
3 氧化石墨烯耦合二维CoFe-LDH纳米片复合材料的制备及其析氧性能研究
    3.1 引言
    3.2 材料制备
        3.2.1 CoFe-LDH纳米片的制备
        3.2.2 Co(OH)2纳米片与Co(OH)2+FeOOH混合物的制备
        3.2.3 氧化石墨烯(GO)的制备
        3.2.4 氧化石墨烯耦合CoFe-LDH纳米片的制备
    3.3 CoFe-LDH纳米片的形貌与结构
    3.4 CoFe-LDH纳米片的电化学性能
    3.5 CoFe-LDH/GO纳米复合材料的结构与形貌
    3.6 CoFe-LDH/GO纳米复合材料的电化学性能
    3.7 本章小结
4 热膨胀还原石墨烯耦合CoFe-LDH纳米片复合材料的制备及其析氧性能研究
    4.1 引言
    4.2 材料制备
        4.2.1 热膨胀还原石墨烯(TEG)的制备
        4.2.2 化学还原石墨烯(CRG)的制备
        4.2.3 多种功能化石墨烯耦合CoFe-LDH纳米片复合材料的制备
        4.2.4 CoFe-LDH纳米片的制备
    4.3 不同还原方法对GO的形貌与结构的影响
    4.4 热膨胀还原石墨烯耦合CoFe-LDH纳米片复合材料的结构与性质
    4.5 热膨胀还原石墨烯耦合CoFe-LDH纳米片的结构形成过程分析
    4.6 热膨胀还原石墨烯耦合CoFe-LDH纳米片复合材料的电化学性能
    4.7 本章小结
5 石墨烯负载Fe-CoOOH复合材料的制备及其析氧性能研究
    5.1 引言
    5.2 材料制备
        5.2.1 氧化石墨烯(GO)和石墨烯(G)的制备
        5.2.2 CoFeAl-LDH/G复合材料前驱体的制备
        5.2.3 CoFeAl-LDH前驱体和CoAl-LDH/G复合材料前驱体的制备
        5.2.4 Fe-CoOOH/G纳米复合材料的制备
        5.2.5 Fe-CoOOH和Fe-CoOOH+G混合物的制备
        5.2.6 CoOOH/G纳米复合材料的制备
    5.3 Fe-CoOOH/G纳米复合材料的制备过程分析
    5.4 CoFeAl-LDH/G复合材料前驱体的形貌与结构
    5.5 Fe-CoOOH/G纳米复合材料的结构性质与形貌
    5.6 Fe-CoOOH/G纳米复合材料的电化学性能
    5.7 Fe-CoOOH/G纳米复合材料电催化析氧反应的理论分析
    5.8 本章小结
6 Co-FeOOH纳米片在碳纤维纸上的原位构筑及其析氧性能研究
    6.1 引言
    6.2 材料制备
        6.2.1 碳纤维纸(CFP)的预处理
        6.2.2 Co-FeOOH纳米片在碳纤维纸上的原位制备
        6.2.3 FeOOH/CFP复合材料的制备
    6.3 Co-FeOOH/CFP复合材料的形貌与结构
    6.4 Co-FeOOH纳米片的晶体结构性质
    6.5 Co-FeOOH纳米片的原子结构与性质分析
    6.6 Co-FeOOH纳米片电子结构状态的理论分析
    6.7 Co-FeOOH/CFP复合材料的电化学性能
    6.8 本章小结
7 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 创新点
    7.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介



本文编号：3874040