钼掺杂的铁钴三元羟基氧化物的合成及电催化性能研究

摘要

当前，由于化石燃料的燃烧是获得能量的主要途径，造成了环境污染以及能源日益枯竭的问题，因此开发清洁能源是当下最迫切的问题。氢气是当前应用最广泛的清洁能源，使用电解水制氢也是当前最常用的制取氢能源的途径。目前，电解水的半反应氧析出反应(OER)是技术发展的瓶颈，研究出高电催化性能的催化剂来降低氧析出反应所需要的过电位是当下的研究重点。地壳中含量充足的3d过渡金属的羟基氧化物表现出高的电催化活性并且经济实惠。我们着手向二元的FeCo羟基氧化物中引入具有高氧化态的金属钼，以提高FeCo羟基氧化物的电催化活性，并尝试向其中添加高催化活性的物质对其的电催化活性进一步进行提高。
　　在本文中，我们使用溶胶-凝胶法分别合成钼和钨掺杂的胶体的FeCo羟基氧化物，对二者的OER催化活性进行测定，结果显示二者在电催化性能上十分相近，并且OER催化活性很高。并同样使用溶胶-凝胶法合成不含金属Mo的FeCo羟基氧化物，且合成具有高催化活性的二元FeCo氢氧化物FeCo LDH，测定二者的电化学性能，通过电化学测试得出钼的掺杂在很大程度上提高了FeCo羟基氧化物的活性，并且FeCoMo羟基氧化物在达到电流密度为10mA/cm2时所需的过电位比FeCo LDH低了约78mV，且比目前公认的顶级碱性OER催化剂之一的FeCo LDH的性能还高，有实际的投产意义。
　　对合成的胶体FeCoMo羟基氧化物样品进行高温退火处理，通过XRD的表征证明其存在Fe、Co、Mo三相的分离。其电催化性能与具有无定形结构的FeCoMo羟基氧化物相比有很大的差距，证明无定形的非晶结构在电催化性能上更有优势，侧面证明了溶胶-凝胶法的优越性。
　　为了使FeCoMo羟基氧化物的电催化性能进一步提高，我们向合成的FeCoMo羟基氧化物中原位掺杂具有多活性位点的石墨烯，通过电化学测试发现石墨烯的掺杂在一定程度上提高了FeCoMo羟基氧化物的活性。但由于石墨烯价格过高，其掺杂的FeCoMo羟基氧化物还不具有实际投产的意义。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 制氢技术研究现状

1．2．1 化石燃料制氢

1．2．2 生物制氢

1．2．3 醇类原料制氢

1．2．4 核能制氢

1．2．5 电解水制氢

1．3 电解水制氢反应原理

1．4 氧析出(OER)催化剂研究进展

1．4．1 贵金属及其氧化物催化剂

1．4．2 过渡金属系列催化剂

1．5 论文的选题意义与主要内容

1．5．1 论文选题意义

1．5．2 论文主要内容

2 实验原料、实验仪器以及测定方法

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 实验分析所用表征方法

2．3．1 X射线衍射(XRD)

2．3．2 透射电子显微镜(TEM)

2．3．3 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．4 电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)

2．3．5 电化学测定

3 钼与钨掺杂的铁钴三元羟基氧化物的合成与表征

3．1 引言

3．2 FeCoMo羟基氧化物的合成及表征

3．2．1 FeCoMo羟基氧化物的合成

3．2．2 FeCoMo羟基氧化物的结构表征

3．3 FeCoW羟基氧化物的合成及表征

3．3．1 FeCoW羟基氧化物的合成

3．3．2 FeCoW羟基氧化物的结构表征

3．4 FeCoMo和FeCoW羟基氧化物的电化学表征

3．4．1 电化学样品制备

3．4．2 电化学分析

3．5 本章小结

4 FeCo羟基氧化物以及FeCo LDH的合成与表征

4．1 引言

4．2 FeCo羟基氧化物的合成及表征

4．2．1 FeCo羟基氧化物的合成

4．2．2 FeCo羟基氧化物的表征

4．3 FeCo LDH的合成与表征

4．3．1 FeCo LDH的合成

4．3．2 FeCo LDH的结构表征

4．4 电化学的测定与表征

4．4．1 电化学样品制备

4．4．2 电化学分析

4．5 本章小结

5 退火的FeCoMo羟基氧化物的合成与表征

5．1 引言

5．2 高温下退火的FeCoMo羟基氧化物的合成

5．3 退火的FeCoMo羟基氧化物的表征

5．3．1 TEM表征

5．3．2 XRD表征

5．4 电化学测试

5．4．1 电化学样品的制备

5．4．2 电化学测试结果分析

5．5 本章小结

6 掺杂石墨烯的FeCoMo羟基氧化物的合成与表征

6．1 引言

6．2 石墨烯掺杂的FeCoMo羟基氧化物的合成

6．3 石墨烯掺杂的FeCoMo羟基氧化物的表征

6．3．1 TEM表征

6．3．2 XRD表征

6．4 电化学性能测试

6．4．1 电化学样品的制备

6．4．2 电化学测试结果分析

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

作者简历

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