Ni-Fe双金属化合物纳米结构的合成及电催化水裂解性质研究

摘要

铁镍双金属化合物由于结构的多样性、优良的导电性和天然丰度高等优点被科学工作者们视为制备电催化剂的优良选择。本论文旨在通过化学液相方法制备Ni-Fe双金属化合物纳米结构催化剂，获得过电位小、Tafel斜率低、稳定性好和电流密度高的水裂解电催化剂。本论文设计合成了Fe掺杂NiO介孔纳米片；Fe掺杂NiSe分级结构；NiFe2O4纳米颗粒/NiFe-LDH纳米片异质结构，系统研究了析氧反应（OER）、析氢反应（HER）和全水裂解方面电催化性能，深入探讨了结构与电催化水裂解性能之间的构效关系。本论文主要内容归纳如下： 1．以泡沫镍为导电基底，甲醇和水混合溶液为溶剂，通过化学液相合成后续煅烧的方法合成Fe掺杂NiO介孔纳米片阵列纳米结构。良好的三维介孔纳米片阵列结构提供了大量的催化活性位点，缓冲了OER和HER电化学过程中的体积变化。更重要的是，掺杂的Fe3+离子通过Fe引发部分电荷转移过程改变了NiO的原子和电子结构，改变了NiO对OER和HER的催化性能。优化的Fe11％-NiO/NF电极表现出优异的OER活性，在电流密度达到10mA cm-2时只需206mV小的过电位，而Tafel斜率仅为49.4mV dec-1。此外，它还表现出显著的HER活性，驱动10mA cm-2电流密度时只需要88mV的过电位，Tafel斜率为49.7mV dec-1。使用Fe11％-NiO/NF作为阳极和阴极的两电极全水裂解，只需要1.579V小的电压就可以达到10mA cm-2的电流密度。 2．以泡沫镍为镍源，通过调节水和氨水的比例获得Fe掺杂NiSe分级阵列结构。由于其特殊的Fe掺杂分级阵列结构，不仅增强了离子和电子的传输，同时增大了催化活性位点，使Fe掺杂NiSe分级纳米结构的OER性能比未掺杂的NiSe的OER性能大幅度提高，在电流密度达到10和1000mA cm-2时仅分别需要191和292mV的过电位，并且具有43mV dec-1低的Tafel斜率，表现出优异的OER催化活性。此外，它还表现出显著的HER性能，驱动电流密度10和500mA cm-2时仅分别需要163和296mV小的过电位，并且具有71.4mV dec-1低的Tafel斜率。此外，Fe掺杂NiSe分级阵列结构作为阴极和阳极的两电极全水裂解在1.0M的碱性电解质中电流密度达到10mA cm-2时仅需要1.6V电压。 3．在去离子水和甲醇混合溶剂中，通过一步溶剂热在泡沫镍上制备了NiFe2O4纳米颗粒/NiFe-LDH纳米片异质阵列结构。由于NiFe2O4纳米颗粒和NiFe-LDH纳米片的强耦合效应和自支撑阵列结构暴露出丰富的催化活性位点，改善了电催化水裂解的催化活性。优化的NiFe2O4纳米颗粒/NiFe-LDH纳米片电极在OER测试中达到100和1000mA cm-2电流密度时仅分别需要213和265mV小的过电位，并且具有28.2mV dec-1低的Tafel斜率。此外，它还表现出显著的HER性能，驱动电流密度10，100和750mA cm-2时仅分别需要101，229和314mV小的过电位，并且具有67.1mV dec-1低的Tafel斜率。使用NiFe2O4纳米颗粒/NiFe-LDH纳米片作为阳极和阴极的全水裂解仅分别需要1.535和1.906V的电压就可提供10和400mA cm-2的电流密度。而且，该两电极全水裂解系统可由1.5V普通干电池驱动。

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