过渡金属纳米催化剂的制备及其在电解水反应中的应用研究

摘要

电解水技术在新能源的开发与转换领域中具有重大的意义，然而，受限于动力学缓慢的析氧反应（OER）和析氢反应（HER），这一技术的大规模工业化应用举步维艰。因此，研发廉价、高性能的过渡金属催化剂是解决这一问题的关键所在。本论文以镍、铁、钴基纳米催化剂在OER和HER中的应用为切入点，重点构建了具有超薄片状结构的二维（2D）纳米催化剂，探究了催化剂的改性与优化，并全面分析了催化剂的结构对催化活性的影响。本论文研究的内容主要包括以下四部分： 1．可控制备高指数晶面暴露的树叶状碳化镍纳米催化剂及其电解水析氧、析氢性能的研究 碳化镍（NiCx）兼具较高的性价比以及良好的导电性等特点，因此，被认为是一种适用于OER和HER的极具潜力的电催化剂。基于此，本节工作采用电沉积法在镍镀层覆盖的铜箔（Ni/CF）表面延特定晶向可控的生长(1?20)高指数晶面暴露的树叶状NiC0.2纳米片（d-NiC0.2NS），并研究了其对OER和HER电催化活性的影响。在碱性介质中，制备所得的d-NiC0.2NS/Ni/CF双功能电催化剂具有良好的OER和HER电催化活性（10 mA cm?2电流密度下对于OER和HER的过电位分别为228mV和121 mV）、接近于100%的法拉第效率以及出色的稳定性。研究结果表明，d-NiC0.2NS/Ni/CF所特有的树叶状纳米片结构、16.7 at%碳含量以及充分暴露的高指数晶面等优点可保证其在电催化过程中具有增强的电荷传导速率和丰富的催化活性位点，进而使其表现出了良好的催化活性。 2．复合电沉积法制备铁酸镍超薄量子点及其电解水析氧性能的研究 作为反尖晶石结构氧化物的代表，铁酸镍（NiFe2O4）因具有价格低廉、性质稳定等优点而受到了广泛关注。然而，由于现有NiFe2O4材料表面缺乏活性位点，其OER催化活性仍有待进一步提升。为此，本工作利用复合电沉积法在富含羟基的聚苯乙烯（PS）纳米颗粒表面原位生长具有超薄量子点结构的铁酸镍纳米片催化剂（AT NiFe2O4 QDs）。通过改变沉积电位及PS颗粒的粒径，研究制备所得的AT NiFe2O4 QDs对OER催化活性的影响。通过研究AT NiFe2O4 QDs的厚度和尺寸与其催化活性之间的关系可得，具有0.8 nm厚度及尺寸为8~10 nm的铁酸镍纳米片表现出最高的OER活性及稳定性。此外，经系列对比实验可得，NiFe2O4 QDs表面富含的氧空位是电催化反应主要的活性位点。 3．电沉积法制备超薄镍铁氢氧化物纳米催化剂及其电解水析氧性能的研究 基于 2D材料作为 OER 催化剂的优点，本节工作利用电沉积法在镍、铁的硫酸盐电解液体系中制备了原位生长在铜箔上的、具有不同形貌和厚度的镍铁氢氧化物（Ni-Fe LDHs）纳米片并将其用作OER催化剂。通过一系列的对比实验筛选出来最优催化剂的制备条件，同时研究了催化剂的形貌及厚度对OER催化活性的影响。研究结果表明，具有较小厚度的Ni-Fe LDHs纳米片的边缘和表面具有较多的低配位数过渡金属原子，它们作为催化活性位点可明显提升OER的催化活性。最终，在-7Vvs. Ag/AgCl的阴极电位下电沉积制得的，厚度为1.9nm且具有30%铁含量的Ni-Fe LDHs催化剂（u-Ni70Fe30LDHs）具有最高的催化活性及稳定性。 4．晶格扭曲的Co(OH)2纳米片中伸长的Co?OOH键对OER催化活性的影响 基于 2D氢氧化物所具有的良好 OER 催化性能，本节工作首先通过简单的共沉淀法制备钴镓氢氧化物纳米片，然后在氢氧化钾溶液中对其进行刻蚀处理，除去氢氧化物中的镓元素，最终制备出目标催化剂，即晶格扭曲的超薄氢氧化钴（CLD-u-Co(OH)2）纳米片。通过XRD、XPS以及XAFS测试发现，制备所得的CLD-u-Co(OH)2纳米片的晶体结构发生了扭曲，其Co?OOH键键长增加。通过一系列的对比实验可得，伸长的Co?OOH键有利于 CLD-u-Co(OH)2纳米片 OER催化活性的提升。

目录

第一个书签之前

1

2

3