可控限域络合结晶法制备纳米层状结构镍铁氢氧化物及其电化学性能的研究

摘要

日益增长的能源需求和环境意识促进了高效环保的能源转换和储存技术的发展，其中，电解水制氢是非常有吸引力的，正受到越来越多的关注。这种可再生能源技术的关键是加速氧析出反应(OER)，但由于其动力学缓慢且过电势大，在实际应用中往往具有更大的挑战，因此，研究具有高活性的电催化剂对于高效电解水制氢是非常重要的。此论文通过一种新型、可规模化的络合结晶法合成出Ni-Fe LDHs材料，系统研究了不同镍铁配比和碳酸根含量对其OER性能的影响，并在此基础上提出原位生长法，主要的研究内容如下:
　　1、采用温和的可控络合结晶法制备出超薄的纳米Ni-Fe LDHs片，将其作为高效的OER催化剂，测试结果表明，在1mol L-1KOH电解液中，OER性能最优的是Ni∶Fe原子比为15％的Ni-Fe LDHs，与商业的IrO2（330mV和130mV dec-1）相比，在10mA cm-2电流密度下的过电位和塔菲尔斜率分别为216mV和37mV dec-1，并且经过15小时的恒电流极化后，曲线保持较平稳，这表现出优异的稳定性和耐久性。此外，我们还进行了放大实验，将样品量放大20倍后，测试结果表明，与小规模样品相比，大规模生产的样品显示出几乎相同的耐久性，在20mA cm-2电流密度下出现稍低的极化和更平坦的电压，这证明了络合结晶法是可规模化的。因此，此法为新型氧析出催化剂的工业化生产开辟了一种可靠的途径。
　　2、研究了碳酸根的嵌入对Ni-Fe LDHs材料OER性能的影响，在Fe含量为15％的基础上用上述方法合成了不同含量碳酸根插层的Ni-Fe LDHs材料，发现碳酸根的嵌入使材料的层间距有所变大，且OER性能有所不同。实验结果表明，当OH-/CO32-为4∶1时，得到的材料具有较优异的OER性能，在20mA cm-2电流密度下，氧析出过电位为323mV，比未嵌入碳酸根的15％Fe样品和商业IrO2有更小得Tafel斜率为22mV dec-1，且在更大的电流密度下，极化寿命更长。
　　3、采用可控络合结晶法在泡沫镍基底上原位生长Ni-Fe LDHs，通过控制滴加不同Ni-Fe量，得到了不同负载量的Ni-Fe LDHs/NF电极，实验结果表明，滴加量为3mL的电极在10mA cm-2下的表现出最小的过电位和Tafel斜率，分别为245mV和27mV dec-1，且经过47h的极化曲线仍能保持较平稳，此性能均优于与在同样条件下的3D泡沫镍和商业IrO2电极。该研究不仅为电解水体系提供了一种高效、持久的催化剂，也为NiFe催化剂的结构设计开启了一种新思路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 氧析出反应概述

1．2．1 氧析出反应机理

1．2．2 氧析出催化剂的种类

1．3 水滑石概述

1．3．1 水滑石的结构

1．3．2 水滑石类化合物在电化学领域的应用

1．3．3 NiFe基氢氧化物的制备方法

1．4 论文的研究目的与意义

1．5 论文研究的主要内容

第二章 实验设备及原理

2．1 实验药品和仪器设备

2．1．1 主要实验药品

2．1．2 主要实验仪器设备

2．2 主要测试方法及原理

2．2．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．2 透射电子显微镜(TEM)

2．2．4 X射线光电子能谱仪(XPS)

2．2．5 傅立叶变换红外光谱检测(FT-IR)

2．2．6 热重-差热分析(TG-DTA)

2．3 材料的电化学性能测试

2．3．1 线性扫描伏安法(LSV)

2．3．2 循环伏安法(CV)

2．3．3 交流阻抗

2．3．5 计时电流法

第三章 花簇状Ni-Fe氢氧化物的制备及电催化性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 Ni-Fe LDHs的制备

3．2．2 Ni-Fe LDHs的大规模制备

3．2．3 工作电极的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 Ni-Fe LDHs的SEM分析

3．3．2 Ni-Fe LDHs的Mapping／EDS分析

3．3．3 Ni-Fe LDHs的XRD分析

3．3．4 Ni-Fe LDHs的TEM分析

3．3．5 Ni-Fe LDHs的BET分析

3．3．7 Ni-Fe LDHs的OER性能分析

3．4 本章小结

第四章 Ni-Fe-CO32-氢氧化物的制备及电催化性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 Ni-Fe-CO32-氢氧化物的制备

4．2．2 工作电极的制备

4．3 结果与讨论

4．3．2 Ni-Fe-CO32-氢氧化物的Mapping／EDS分析

4．3．3 Ni-Fe-CO32-氢氧化物的TEM分析

4．3．4 Ni-Fe-CO32-氢氧化物的XRD分析

4．3．5 Ni-Fe-CO32-氢氧化物的XPS分析

4．3．6 Ni-Fe-CO32-氢氧化物的FT-IR分析

4．3．7 Ni-Fe-CO32-氢氧化物的TG-DTA分析

4．3．8 Ni-Fe-CO32-氢氧化物的OER性能分析

4．4 本章小结

第五章 原位生长Ni-Fe LDHs／NF及其电催化性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．2 IrO2／NF电极的制备

5．3 结果与讨论

5．3．1 Ni-Fe LDHs／NF电极的SEM分析

5．3．2 Ni-Fe LDHs／NF电极的Mapping／EDS分析

5．3．3 Ni-Fe LDHs／NF电极的HRTEM分析

5．3．4 Ni-Fe LDHs／NF电极的XPS分析

5．3．5 Ni-Fe LDHs／NF电极的OER性能分析

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师介绍