纳米多孔Co3O4/Co复合薄膜电极的制备及其电催化析氧性能

摘要

在能源稀缺的21世纪，无污染、可再生的氢气被认为是最有望替代化石燃料的新能源之一。电解水的工艺简单、通过该方法制取的氢气纯度高，是一种理想的制氢方法。但是电解水反应过程中过高的电催化析氧过电位严重地降低了其电能利用率，限制了电解水制氢工业的发展。因此，找到一种稳定、高效和价格便宜的电催化祈氧材料以提高电解水工业的电能利用率具有非常重要的意义。
　　贵金属和过渡金属氧化物的电催化析氧活性很高，被认为是目前有潜力应用于电解水工业化生产中的电催化析氧催化剂。但是贵金属的电催化析氧活性很高昂贵的价格使其不能大规模用于电解水制氢工业中。而过渡金属化合物的电解水因其催化活性较高、价格便宜并且在地球上资源丰富，作为电解水析氧催化剂吸引了研究者的广泛关注，特别是纳米结构的过渡金属化合物。本论文用脱合金选择性刻蚀Cu的方法制备了纳米多孔钴膜，并探索了电沉积液中Cu2+浓度对纳米多孔钴膜形貌的影响。实验表明:通过改变电沉积液中Cu2+浓度可以调控纳米多孔钴的孔径，并且纳米多孔钴的孔径随着电沉积液中Cu2+浓度增大而增大。当Cu2+浓度为0.05 mol L-1时，纳米多孔钻孔径最大，大约为80～150 nm，钴膜的厚度为0.8～1.3μm。
　　对纳米多孔钴膜进行化学氧化，获得了孔状形貌基本保持的纳米多孔Co3O4/Co复合薄膜电极。纳米多孔Co3O4/Co复合薄膜电极的电化学性能优异:其起始析氧过电位为250 mV;当电流密度为10 mA cm-2，其过电位仅为357 mV，而用同样氧化方法制备的Co3O4/Co纳米片电极的过电位为448 mV。纳米多孔Co3O4/Co复合薄膜电极在电流密度为20 mA cm-2下保持48000 s后，电压仅增加3％。纳米多孔Co3O4/Co复合薄膜电极优异的电催化析氧活性和稳定性归因于其稳定的纳米多孔结构。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 电解水工艺

1．2．1 电解水工艺的历史

1．2．2 电解水工艺的优势

1．2．3 电解水工艺的主要问题

1．2．4 电解水电极反应的机理

1．3 析氧电极材料

1．3．1 贵金属及共氧化物

1．3．2 过渡金属及其合金

1．3．3 AB2O4型氧化物

1．3．4 ABO3型氧化物

1．3．5 金属硫化物和磷化物

1．4 Co及其化合物纳米材料的应用

1．4．1 催化性能

1．4．2 磁性性能

1．4．3 超级电容器

1．4．4 锂离子电池负极材料

1．5 本论文的研究背景和主要内容

参考文献

第二章 实验部分

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 化学试剂

2．1．1 测试仪器

2．2 电极材料的制备

2．2．1 基底预处理

2．2．2 纳米多孔钴的制备

2．2．3 纳米多孔Co3O4／Co复合薄膜电极的制备

2．2．4 钴膜电极及纳米片Co3O4／Co复合薄膜电极的制备

2．3 电极材料的物理结构表征

2．3．1 扫描电子显微镜(SEM)分析和能谱(EDS)分析

2．3．2 X射线衍射(XRD)分析

2．3．3 透射电子显徼镜(TEM)分析

2．3．4 拉曼光谱(Raman)分析

2．3．5 电感耦合等离子体(ICP)分析

2．4 电极材料的电化学性能的表征

2．4．1 循环伏安(CV)测试

2．4．2 电化学催化析氧性能

2．4．3 稳定性测试

2．4．4 交流阻抗(EIS)测试

参考文献

第三章 纳米多孔钴的制备

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 沉积电位的确定

3．2．2 Co-Cu合金膜的制备

3．2．3 纳米多孔钴的制备

3．2．4 电极的表面形貌和结构特征

3．2．5 机理解释

3．3 结果与讨论

3．3．1 平板镍基底在电i冗积液中的电化学行为

3．3．2 纳米多孔钴膜的微观结构

3．3．3 XRD分析结构表征

3．3．4 Cu-Co合金和多孔Co膜的组成

3．3．5 机理解释

3．3．6 SEM形貌

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Co3O4／Co复合薄膜电极的制备及其析氧性能研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 电极的制备方法

4．2．2 电极的表面形貌和结构表征

4．2．3 电极的电化学析氧性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 纳米多孔CO3O4／Co复合薄膜的物理结构表征

4．3．2 纳米多孔Co3O4／Co复合薄膜电极的微观形貌

4．3．3 纳米片Co3O4／Co复合薄膜电极的微观形貌

4．3．4 析氧催化性能

4．3．5 析氧稳定性

4．4 本章小结

参考文献

第五章 全文总结

5．1 论文总结

5．2 论文创新点

5．3 工作展望

致谢

附录：硕士期间发表的学术论文