ZIF-67基纳米复合材料的制备与电催化析氧性能研究

发布时间：2020-06-24 20:24

【摘要】：随着环境污染和化石能源紧缺等问题的频频冲击,寻找清洁、可持续发展能源来替代传统能源具有很大的研究价值。氢气作为一种新能源,因为具有能量密度高和燃烧无污染等特点,广受研究人员的关注,目前被公认为最有前景的新能源之一电解水产氢是制备氢气的有效途径之一,也是实现能量转换和能量存储的重要过程。然而,这一过程却受到了电解水阳极析氧反应(OER)过程的严重制约,原因是OER过程是一个四电子反应过程,其反应需要很高的电势来克服其中所需的反应能垒。因此寻找合适的催化剂来加快这一反应,从而加快全解水进程,具有重大研究意义。众所周知,贵金属材料Ir、Ru及其金属氧化物具有很好的电解水催化性能,但由于其价格昂贵,储量不足等特点大大限制了其广泛应用的可能。过渡金属元素Co、Ni作为典型的非贵金属材料,在用于电解水催化剂方面具有巨大的潜力,且其储量丰富,价格低廉,近年来一直被科研工作者广泛研究,并取得了较大的进展。ZIF-67作为金属-有机框架(MOFs)基材料的一种,拥有比表面积大,多孔性等特点。重要的是,ZIF-67中的金属元素是钴,是较好的电解水催化材料,但由于纯ZIF-67导电性差,使其催化活性大打折扣。因此,需要对ZIF-67做出进一步修饰改性来提高其催化活性。本论文以含有过渡金属元素钴的ZIF-67为前驱体和结构模板,通过进一步改进,得到了具有高效OER催化性能的催化剂。具体研究内容如下:(1)通过常温液相合成法制备出ZIF-67,用其作为前驱体和结构模板,在惰性气体的保护下,通过两步高温退火处理得到钴/碳氮复合材料(Co/NC),接着将Co/NC与硫粉充分混合,再次煅烧,得到碳包覆、氮掺杂的二硫化钴/碳氮(CoS2/NC)纳米复合材料,CoS2/NC纳米复合材料在导电性、亲水性、催化活性和稳定性方面都得到很大提升。同时我们探索了前驱物ZIF-67的尺寸大小和Co/NC与S的最佳比例来得到最优的催化剂。并将CoS2/NC纳米复合材料与普通块状CoS2作了对比。一系列的表征尤其是X射线吸收精细结构谱(XAFS)被用来更深入地探究了CoS2/NC纳米复合材料的电子结构和配位环境,解释了其超高催化活性的内在原因。(2)通过常温液相合成法制备出ZIF-67作为前驱体和结构模板,并引入钴源,将其分别通过原位生长法、超声法和水热法与Ni(N03)2·6H20反应生成Co-Ni层状双金属氢氧化物(LDH)纳米笼复合材料,获得了在纳米笼表面长片状LDH结构的催化剂。对其进行催化活性的表征,得出原位生长法获得的样品催化活性最好,在此基础上,我们探究了 Co与Ni的最佳比例,最佳样品表现出了优异的OER催化性能。通过一系列的结构表征,初步确定Co-Ni LDH的结构。这一部分工作为制备LDH结构的催化剂提供一种新的研究思路。
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ426;TQ116.2;TB33
【图文】：

咪唑,桥接,金属,能源

化物引起的酸雨都对人类的生活产生了极大的威胁。传统的能源，煤、石油、天然逡逑气属于不可再生能源，随着使用量的增加，总量也在一天天的减少，这些能源也终逡逑有用尽的一天ｔｍ，图１．１给出了各化石燃料的使用年限的预估图［３］，我们可以清楚逡逑地看到，以目前的消耗速度，在不久的将来，这些燃料将面临枯竭。这些现状迫使逡逑人们采取急切的措施，寻找清洁、经济可行的可替代能源来取代化石燃料。逡逑ｗｍ．逡逑２２５５邋逦ｍｒ－逡逑２２０５邋逦W －逡逑忒２３５５逦Ｈ逦ｍ逡逑ｉ逡逑２１０５逦：—－逡逑２０５５邋逦Ｆ］—邋—ｎ——Ｉ－逡逑ｎ逡逑＿＿＿＿＿逦＿＿＿＿＿逦Ｉ逦．邋■逦’逦Ｉ逦：’逦＇邋＇逦■逡逑５袖天然气邋谋逦铕邋太Ｅ能逡逑图ｕ各化石燃料使用年限预估图ｍ逡逑太阳能、风能属于丰富，易得的可再生能源，但其大规模应用却受到了分布不逡逑均及间歇式等特点的严重阻碍，通过电化学反应来实现可再生能源的转化和存储便逡逑很好的克服了这些问题，从而可以实现能源随时随地取用的可能＞６ｉ。金属－空气电逡逑池、燃料电池、电解水等都能实现能源的转换和存储。而析氧反应（ＯＥＲ）又是它们逡逑关键的半反应，因此处理好ＯＥＲ反应对实现能源的转换和存储具有重大意义。逡逑氢是元素周期表中最轻的元素，因此氢气具有任何化学物质都没有的最高能量逡逑密度这也是它用于火箭燃料的原因

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－有机框架（ＭＯＦｓ）基材料在析氧反应（ＯＥＲ）催化剂反应（ＯＥＲ）的简述逡逑于电解水的阳极反应，这个反应包含了质子耦合的四电子，理论上，这个反应需要１．２３邋Ｖ的外加电压来推动它的进一步反应都需要额外的活化能才能推动它的进行，因此，的过电势，它的动力学过程十分缓慢，是电催化全解水的ＥＲ）也是金属－空气电池、燃料电池的关键半反应，寻找合反应的能垒对电化学反应过程意义非凡，也对科研工作者属材料Ｉｒ、Ｒｕ及其氧化物对电催化分解水有很好的催化效，近年来，人们也发现了很多新的非贵金属材料，对电解，图１．３是根据对析氧反应（ＯＥＲ）催化剂材料的比较得到…二…？“二？NB邋？二…？“一逡逑

【参考文献】