多孔过渡金属氧化物作为高效的水氧化催化剂的研究

摘要

目前，由于能源消耗的增加和使用化石燃料带来的环境问题需要我们开发新的能源。水分解产生的氢气是清洁的可再生能源，其燃烧的产物仅仅是水。水分解的半反应之一的水氧化反应在动力学上非常缓慢，且涉及非常复杂的四质子和四电子过程，因此至今为止水氧化仍然是水分解反应的瓶颈。早期很多研究都集中于开发铱和钌氧化物用于水氧化反应，但贵金属的稀缺性和高成本限制了它们大规模的实际应用。开发具有优异性能和低成本的新型廉价催化剂是至关重要的。本文主要探索了含Co、Ni、Fe、Mn的多孔双金属氧化物作为高效的水氧化催化剂的性能。主要内容为以下几个方面：
　　1.我们通过简单的自组装和煅烧的方法合成了介孔Mn1.8Fe1.2O4纳米立方体。通过改变煅烧温度，我们调查了不同煅烧温度下介孔Mn1.8Fe1.2O4纳米立方体的结构和催化性能。介孔Mn1.8Fe1.2O4在光化学和铈（IV）驱动的水氧化体系中都呈现出高效的水氧化催化性能。在中性条件下，与没有孔的MnFe2O4，Fe3O4，和Mn3O4相比，介孔Mn1.8Fe1.2O4纳米立方体催化剂在光催化水氧化反应中呈现出较高的转化频率（TOF），为4.6×10-4s-1（基于每个金属原子）。在铈（IV）驱动的条件下，催化剂的TOF达到1.8×10-3s-1，这个值比无孔MnFe2O4的活性至少高两个数量级。多个实验（例如，XRD，FT-IR，SEM，TEM和XPS）证实了介孔Mn1.8Fe1.2O4材料在水氧化过程中是非常稳定的。我们的结果提供了一种便宜的方法合成廉价和高活性非均相催化剂用于水氧化反应。
　　2.铁基催化剂让研究者特别感兴趣由于其储量高，毒性低，和丰富的氧化还原性能。在本文中，我们报道低成本多孔的源于普鲁士蓝类似物（PBA）Mx[Fe(CN)6]y（M=Fe，Co，Ni）的铁基氧化物，这个合成方法涉及简单的自组装技术和低温煅烧过程。我们将这些催化剂用于研究光催化，铈（IV）驱动和电化学水氧化，并且它们表现出优异的活性。值得关注的是，这种光催化水氧化反应在类似于自然光系统II的中性条件下进行。在中性光催化水氧化条件下，作为催化剂时获得较高的TOF，为5.4×10-4s-1。在铈（IV）驱动水氧化条件下，多孔CoxFe3-xO4的TOF为5.2×10-4s-1，这是所有文献中报道的铁基氧化物中的最高值。在电化学水氧化中，多孔NixFe3-xO4催化剂在10mA cm-2下显示出402mV的低的过电势。另一方面，由于铁氧化物具有高的铁磁性和优异的稳定性，使得它们被重复使用而没有损失活性。
　　3.多孔材料由于其高的比表面积和丰富的活性位点而非常有利于催化过程的进行。在本文中，我们报道了通过简单的煅烧层状双氢氧化物前体的方法，来合成多孔NiMn氧化物纳米片。多孔Ni0.75Mn0.25氧化物纳米片对于电催化氧气产生反应（OER）是高效的，在η=400mV具有高的TOF值0.08s-1和低的过电势358mV。通过X射线吸收谱（XAS）分析，我们发现由于Ni0.75Mn0.25氧化物中较长的Mn-O-Mn键有助于表面的结构灵活性，使得催化剂具有高的催化活性。我们的工作提出了一种简单的掺杂方法来制备多孔纳米片，并通过掺杂其他过渡元素进一步提高其催化性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2光合作用的介绍

1.3水氧化反应

1.4水氧化催化剂的研究

1.5选题背景和依据

参考文献

第二章 介孔Mn1.8Fe1.2O4纳米立方体作为高效稳定的水氧化催化剂性能的研究

2.1 前言

2.2 试剂与仪器

2.3实验部分

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

参考文献

第三章 来源于金属有机框架的多孔铁基氧化物作为高效的光，电和化学水氧化催化剂性能的研究

3.1 前言

3.2 试剂与仪器

3.3 实验部分

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

参考文献

第四章 源于NiMn-LDH前躯体的超薄多孔镍锰氧化物纳米片作为高效的电催化剂性能的研究

4.1 前言

4.2 试剂与仪器

4.3 实验部分

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

参考文献

在学期间研究成果

致谢