泡沫镍负载的过渡金属化合物纳米复合材料的制备及电催化性能研究

摘要

电催化水裂解制氢被认为是实现可持续储能和未来能源转换的社会最有前途的途径之一，同时也是主要的科学挑战之一。含量丰富的过渡金属化合物由其低成本取代贵金属成为该技术大规模应用的关键。通过设计和改进实验方案，改变物质组成，以期合成具有更合理的组成成分、更适合的电子调控和持续稳定的过渡金属化合物。高效、低成本的过渡金属催化剂可以有效降低水裂解所需的能量成本。本文通过掺杂和构建异质结构的方法，制备了独特的物理化学性质的电催化剂。本文的主要研究内容如下：　　1.电催化水裂解生产氢气是清洁能源研究的热点。然而，由于作为水裂解的半反应之一的氧气析出的缓慢动力学，迫切需要开发高性能和廉价的双功能催化剂。在本文中，我们提出了一种有效的一步水热法，以在泡沫镍上合成铁掺杂的NiC2O4纳米棒，该纳米棒在碱性电解质中表现出出色的电催化性能和稳定性。在50mAcm-2下，析氧反应过电势仅为231mV，在10mAcm-2下，析氢反应过电势仅151mV，优于大多数基于NiFe的催化剂。此外，由铁掺杂的NiC2O4作为阳极和阴极构成的整个水裂解装置在10mAcm-2下可实现1.60V的低电势。其优异性能的贡献来自于有效活性面积的增加和铁掺杂后电子传输阻力的降低。这项工作为镍铁基催化剂的开发提供了重要的指导。　　2.开发一种低成本和对析氢反应(HER)有效的电催化剂是非常有吸引力。在此，提出了一种简单有效的策略在泡沫镍上生长三维杂化Co3O4@NiWO4纳米锥阵列结构。由于特殊异质结构提供了足够开放空间，利于气体的释放以及减少电子转移电阻；而且相对于单一组分的Co3O4和NiWO4，Co3O4@NiWO4电化学活性表面积有着显著的提高，可以提供更多的活性中心或活性位点，该催化剂表现出出色的HER性能。10mAcm-2时的过电势仅为70mV，并且该材料的塔费尔值也只有79.73mVdec-1。在碱性条件下该催化剂具有20h良好的耐久性。这项工作可为在高效HER电催化剂中应用Co3O4提供一种新方法。　　3.目前能源危机下，电解水制氢因其能源转换的优势被持续关注。但效率高和低成本的电催化剂影响着其广泛工业应用。本文利用简单的水热法由Co3O4纳米锥制备了一种新型的Mn掺杂的Co3O4纳米锥@NiFe-LDH纳米片(Mn-Co3O4@NiFe-LDH)异质结构阵列。Mn掺杂可以有效改善其HER性能，在91mV的低过电势下，电流密度达到10mAcm-2；而引入NiFe-LDH纳米片有效提高了其OER性能，在电流密度为50mAcm-2，过电势仅为287mV。得益于独特的异质结构以及优异的HER和OER性能，Mn-Co3O4@NiFe-LDH也展现出杰出的全水解性能，在电流密度为50mAcm-2时电压仅为1.7V。该方法为双功能催化剂的合成提供了切实可行的思路。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题的背景与意义

1.2 电化学水裂解

1.2.1 电化学水裂解原理

1.2.2 评价电催化剂水裂解性能的参数

1.2.3 解释电催化剂水裂解性能的参数

1.2.4 提升电催化剂催化性能的策略

1.3 本文以过渡金属为基础对电解水催化剂的研究

参考文献

第二章 原位合成Fe 掺杂NiC2O4纳米棒，用于高效析氧和整体水裂解

2.1 引言

2.2.1试剂

2.2.2在NF上制备Fe掺杂的NiC2O4纳米棒

2.2.3在NF上制备NiC2O4纳米棒

2.2.4 RuO2和Pt/C催化剂的制备

2.2.5材料表征设备

2.2.6材料的电化学性能测试

2.3结果与讨论

2.3.1材料的表征

2.3.2材料的电化学性能测试

2.4本章小结

参考文献

第三章 Co3O4纳米锥@NiWO4纳米粒子异质结构的合成及电催化析氢性能研究

3.1引言

3.2实验过程

3.2.1试剂

3.2.2 Co3O4纳米锥阵列（NCAs）的制备

3.2.3 Co3O4@NiWO4杂化纳米锥阵列 (NCAs) 的制备

3.2.4 NiWO4纳米粒子(NPs)的制备

3.2.5 Pt/C(5%)催化剂油墨的制备：

3.2.6材料表征设备

3.2.7 材料的电化学性质测试

3.3.1材料的表征

3.3.2材料的电化学性能测试

3.4 本章小结

参考文献

第四章 Mn掺杂Co3O4纳米锥@NiFe-LDH纳米片阵列的制备及电催化性能研究

4.1引言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂

4.2.2 Mn 掺杂的Co3O4纳米锥阵列（NCAs）的制备

4.2.3 Co3O4纳米锥阵列（NCAs）的制备

4.2.4 Mn掺杂的Co3O4纳米锥@NiFe-LDH纳米片异质结构阵列

4.2.5 NiFe-LDH纳米片的制备

4.2.6 材料的表征设备

4.2.7 材料的电化学性质测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 材料的表征

4.3.2 材料的电化学性能测试

4.4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

附录

致谢