泡沫镍自支撑电解水催化剂的制备及电催化性能研究

摘要

随着人类社会的不断向前发展，能源在社会生产生活中所发挥的作用越来越大，它带动着社会经济的高速发展，也给的人们出行带来了更多的便利。与此同时，我们也注意到传统化石能源在人们不断地开采之下日益枯竭，并且传统化石能源的大规模应用也带来了前所未有的环境污染问题。因此，研究出一种清洁可持续的新型能源来取代化石能源是一项关乎人类命运的课题。氢气(H2)被视作最有潜力替代化石能源的一种新能源，因为它具有能量密度高、清洁可持续的优点。近年来，电解水制备氢气是能源的储备和应用领域里面最热门的课题，研究人员致力于开发出高效的阴极和阳极电催化剂，以达到促进水电解过程高效快速进行的目的。贵金属基电催化剂因其优异的电催化性能受到了广泛的关注，但是贵金属极其昂贵，并且地球上储备稀缺，这些致命的缺陷严重地限制了它们的大规模应用。因此，开发廉价并且高效的过渡金属基电催化剂来促进析氢反应(Hydrogen evolution reaction，HER)和析氧反应(Oxygen evolution reaction， OER)的快速进行，进而提高电解水反应的效率，具有非常重要的意义。商业泡沫镍(Nickel foam，NF)具有三维多孔骨架，并且有着良好的导电性，经常被当作电流集合器来构建性能优异的自支撑电催化剂。将性能优异的电催化剂材料直接生长在泡沫镍表面上，并调控其组成和形貌可以获得排列规则的纳米阵列结构自支撑电催化剂。得益于优异的导电性、快速的电子和物质传导速率、高度暴露的活性位点等优势，自支撑电催化剂往往具有杰出的HER和OER电催化性能。　　本文以商业泡沫镍(NF)作为基底材料，通过调节所负载催化剂材料的形貌和元素组成，得到形貌规则、电催化性能优异的自支撑过渡金属电催化剂。以负载了Co-MOF的泡沫镍为前驱体，通过逐步煅烧和磷化过程得到具有分级多孔且表面粗糙的NiCoP@NC/NF，然后在其表面沉积无定形的NiFeLDH纳米花，并通过电化学测量方法探究最终产物的电催化析氧性能，电催化析氢性能以及全水解性能；以泡沫镍(NF)为模板，通过极其简单的一步溶剂热法，来制备均匀负载在泡沫镍上的P掺杂MoO3/FeCoLDH超薄纳米片电催化剂(表示为P-MoO3/FeCoLDH/NF)，并探究其电催化析氧(OER)性能。具体工作如下：　　(1)通过逐步煅烧和磷化原位生长在镍泡沫上的ZIF-67，形成分级多孔N掺杂无定形碳包覆的NiCoP(表示为NiCoP@NC/NF)，然后将无定形NiFeLDH纳米片直接电沉积在其表面上，形成3D纳米骨架，得到NiFeLDH/NiCoP@NC/NF催化剂。采用SEM、TEM、XRD、XPS等材料研究方式对催化剂的微观形貌和结构组成进行分析；用CV、LSV、EIS、IT等电化学测试手段来研究NiFeLDH/NiCoP@NC/NF的电催化析氧性能以及NiCoP@NC/NF的析氢性能。这种具备分级多维结构的NiFeLDH/NiCoP@NC/NF电催化剂表现出优异的OER性能，这归因于其特殊的结构特征、丰富的暴露活性位点、由生长在镍泡沫基体上的NC带来的优异的电导率、高效的电子转移速率、NiFeLDH与NiCoP@NC之间的协同效应。所得到的电催化剂不仅只需要极低的过电势(210 mV)就能产生10mAcm-2的电流密度，还具有优异的长期稳定性。而且，将该催化剂与NiCoP@NC/NF结合作为两电极系统进行全水解时，仅需1.54V的过电势即可在碱性介质中驱动10mAcm-2的电流密度。这项研究通过赋予LDHs更好的电导率和更多的活性位点，成功地提高了LDHs的OER催化活性，也为设计有效的非贵金属析氧催化剂以取代贵金属基电催化剂开辟了新的前景。　　(2)采用一种简单的一步溶剂热策略，制备了均匀负载在泡沫镍上的P掺杂MoO3/FeCoLDH超薄纳米片(表示为P-MoO3/FeCoLDH/NF)新型电催化剂。采用SEM、TEM、XRD、XPS等材料研究方法对催化剂的微观形貌和结构组成进行分析；用CV、LSV、EIS、IT等电化学测试手段研究P-MoO3/FeCoLDH/NF的电催化析氧性能。得益于优异的导电性、独特的均匀纳米片异质结构、快速的电子和传质速率、P掺杂优化的电子结构以及协同效应等特征，精心设计的P-MoO3/FeCoLDH/NF超薄纳米片异质结构电催化剂表现出优异的OER性能。在碱性介质中，只需要极低的过电势(225 mV)就能驱动10mAcm-2的电流密度，在经过80个小时的恒电流测试之后电催化活性没有发生衰减，表现出优异的稳定性。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 前言

1.2 电解水机制

1.2.1 电解水

1.2.2 析氢反应（HER）机理

1.2.3 析氧反应（OER）机理

1.2.4 性能评估方法

1.3 催化剂的研究进展

1.3.1 析氢催化剂

1.3.2 析氧催化剂

1.4 本课题的意义及内容

第 2 章 NiCoP@NC 修饰泡沫镍自支撑的 3D 无定形NiFe LDH 电催化剂研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品

2.2.2 实验仪器

2.2.3 实验所需溶液

2.2.4 ZIF-67/NF 的制备

2.2.5 NiCoP@NC/NF 的制备

2.2.6 NiFe LDH/NiCoP@NC/NF 的制备

2.2.7 材料表征及电催化性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 制备样品的形貌和微结构

2.3.2 NiFe LDH/NiCoP @NC/NF 的电催化析氧性能

2.3.3 NiFe LDH/NiCoP @NC/NF 的全水解性能

2.4 本章小结

第3章 泡沫镍自支撑P 掺杂MoO3/FeCo LDH 超薄纳米片析氧电催化剂研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品

3.2.2 实验仪器

3.2.3 实验所需溶液

3.2.4 P-MoO3/FeCo LDH/NF 的制备

3.2.5 材料表征和电催化性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 制备样品的形貌和微结构

3.3.2 样品的电催化析氧性能

3.4 本章小结

结 论

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致 谢