碳耦合钴基层状双金属氢氧化物的制备及析氧性能研究

摘要

氢能是一种理想的清洁能源，是解决当前能源危机的一个有效选择。电解水制氢具有工艺简单、氢气纯度高、产物无污染等诸多优势，是最可观的制氢方法。但是电解水的两个半反应——析氢反应和析氧反应的动力学迟缓，需要较高的能量驱动，影响了电解水整体的效率。尤其是析氧反应，机理更加复杂，其过电势远高于析氢反应。因此，采用高效、低廉、稳定的催化剂以降低析氧反应的能垒，是降低电解水能耗和提升整体效率的有力措施。
　　层状双金属氢氧化物（LDH）组成可调、形貌可控且易复合，具有突出的析氧活性。然而，导电性差的缺点限制了LDH的析氧性能，而通过碳材料耦合的方式可以显著提升材料的导电性。LDH与碳材料耦合后，LDH能提供析氧反应的催化活性位，碳材料则加快析氧过程中电子的传输。因此，构筑碳材料与LDH耦合的廉价催化剂是解决析氧反应高能耗的有效手段。
　　本文集中于研究两种钴基LDH与碳材料耦合的电极材料，并且对其析氧性能进行了分析。主要研究内容和结果如下：
　　采用共沉淀的方法构筑了碳纳米管耦合CoMn-LDH的复合物。超薄的CoMn-LDH纳米片暴露大量的催化活性位，增大了与电解液的界面接触面积，并且缩短了离子扩散路径。三维碳纳米管导电网络加强了纳米片的导电性，缩短了电子传输路径及增加了暴露的电催化活性位。在0.1M KOH溶液中，复合物在10mA cm-2的过电势为355mV，并且能稳定工作10h以上。
　　水热合成了在碳纤维表面原位生长NiCo-LDH纳米阵列。碳纤维纸具有双重功能：作为析氧反应中的支撑电极及电子快速传输的集流体以及调控NiCo-LDH纳米片的形貌和其在碳纤维表面的组装行为。相互交错和均匀分布的纳米片垂直组装于碳纤维表面，形成高度开放的纳米阵列结构。该结构具有大量边缘活性位和出众的质量传输和氧气扩散能力。在1M KOH溶液中，集成电极在10mA cm-2的过电势为307mV，并且能在100mA cm-2的大电流密度下稳定工作20h，且形貌保存完好。

目录

声明

1 绪论

1.1 析氧反应

1.2 过渡金属基析氧催化剂

1.3 层状双金属氢氧化物

1.4 LDH催化析氧反应进展

1.5 LDH耦合碳材料催化析氧反应进展

1.6 本论文的选题依据与研究内容

2 实验部分

2.1 实验原料

2.2 材料制备设备

2.3 材料表征

2.4 电化学测试

3 碳纳米管耦合超薄钴锰层状双金属氢氧化物的析氧性能研究

3.1 引言

3.2 材料制备

3.3 结构和形貌表征

3.4 析氧性能表征

3.5 小结

4 碳纤维纸调控镍钴层状双金属氢氧化物集成电极的析氧性能研究

4.1 引言

4.2 材料制备

4.3 结构和形貌表征

4.4 析氧性能表征

4.5 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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