金修饰超薄多孔Co3O4纳米片的制备与电催化析氧性能研究

摘要

能源危机和环境污染问题亟待解决，电解水制备氢能被认为是解决该问题的有效方式之一，可以很好的实现能源存储以及满足清洁能源需求，但是电解水阳极析氧反应(OER)涉及复杂的四电子转移，并且形成O-O键过程需要克服很大的势垒，因此需要很高的过电势驱动反应。动力学缓慢的阳极析氧反应被认为是整个电解水过程中的限制步骤。
　　传统的贵金属催化剂表现出优异的电催化活性，例如RuO2和IrO2，但是由于存储量稀少，价格昂贵以及稳定性差等问题限制了其商业大规模应用。研究人员开始寻求可以替代贵金属的高效廉价催化剂。尖晶石型Co3O4存储量丰富，价格低廉，结构稳定同时也具有不错的催化活性，被认为是很有发展潜力的催化材料。与此同时，二维材料的兴起也给催化剂带来新的机遇。高暴露的表面原子以及超大的比表面积为催化反应提供大量的活性位点。具有单胞甚至原子级别厚度的超薄纳米片，相邻片层原子之间的束缚弱化，晶格更容易发生畸变和扭曲，降低催化反应所需要的能量，从而提高催化活性。另一方面，具有超大比表面积的超薄片是理想的载体，高暴露的表面原子更有利于负载物与载体之间的电子相互作用。通过表面修饰等手段可以有效的调控超薄片本征的电子结构，更能从原子角度分析电子结构与催化性能之间的关系。基于上述背景，以设计高效稳定的电解水析氧催化剂为中心，论文分为以下四章内容:
　　第一章:系统介绍二维超薄材料的研究进展。首先介绍了研究背景，然后系统介绍了超薄片的分类和合成方法，以及超薄片在电催化领域的独特优势。阐述本文的研究内容以及研究意义。
　　第二章:采用溶剂热法和后续的热处理，制备厚度为三个单胞大小的超薄多孔Co3O4纳米片，表征了超薄片的形貌结构并对其进行电化学析氧性能测试。结果表明超薄多孔Co3O4纳米片的OER活性远大于相应的块材样品，过电势为0.5V时，超薄片的电流达到9.97mA cm-2，比块材Co3O4(0.73mA cm-2)远远高出13倍之多。
　　第三章:为了进一步提升Co3O4的电解水析氧性能以满足工业需求，在超薄片的基础上进行纳米Au修饰，调控其电子结构从而改善性能。分别采用浸渍法和机械搅拌法成功制备Co3O4/Au纳米片，并制备负载量不同的一系列样品。不同方法制备的Co3O4/Au纳米片的电解水析氧性能都有明显提升。机械搅拌制备的Co3O4/Au(15mg/25ml)纳米片表现出最好的电化学活性，在0.5V过电势下，相比较未修饰的纳米片，Co3O4/Au纳米片电流密度从9.97mA cm-2增加到14.76mA cm-2。XPS，Raman以及X射线近边吸收结构谱(XANES)表征表明超薄多孔Co3O4纳米片与纳米金颗粒之间存在强烈的电子相互作用，优化的电子结构有利于OER反应。通过将Co3O4纳米片与纳米金颗粒机械混合，发现两者间存在强烈相互作用的现象也是首次被报道，这可能是由于相比块材，超薄片表面存在大量低配位原子。
　　第四章:对全文进行总结，基于现有的研究进展和挑战提出自己的见解。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超薄二维材料的合成进展

1．2．1 超薄二维材料的分类

1．2．2 超薄二维材料的合成方法

1．3 超薄二维材料在电催化析氧中的应用

1．3．1 电催化析氧电极材料简介

1．3．2 电催化析氧过程以及反应机理

1．3．3 二维超薄片在电催化中的优势

1．4 超薄二维材料催化性能调控手段

1．4．2 掺杂

1．4．3 表面负载

1．4．4 其他调控手段

1．5 本论文研究内容与意义

参考文献

第二章 超薄多孔Co3O4纳米片的合成与电解水析氧性能研究

2．1 引言

2．2 样品的制备和表征

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 样品的制备

2．2．3 样品的表征与电化学测试条件

2．3 结果与讨论

2．3．1 样品的形貌与结构分析

2．3．2 样品的电催化性能研究

2．4 本章小结

参考文献

第三章 金修饰Co3O4超薄多孔纳米片合成与电解水析氧性能研究

3．1 引言

3．2 样品的制备与表征

3．2．1 样品的制备

3．2．2 样品的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 样品的形貌与结构分析

3．3．2 样品的电化学性能研究

3．3．3 电催化剂OER性能提升机理分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 总结与展望

4．1 全文总结

4．2 未来工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果