過渡金屬電催化劑的制備及其電催化水分解性能.pdf

1、由于科技的進(jìn)步，人口的激增，地球蘊(yùn)藏的有限的化石能源被大量消耗，環(huán)境污染急劇惡化，因此開發(fā)可再生清潔能源迫在眉睫。氫能作為一種新型清潔能源，其來源廣泛，熱值高，燃燒無污染，因此成為近年來可再生清潔能源的研究熱點(diǎn)。電解水制氫是目前研究最為廣泛的制氫方法，但仍存在催化劑價(jià)格昂貴、電極極化等問題。過渡金屬催化劑因其來源豐富，價(jià)格低廉，催化性能潛力巨大，成為近年來HER/OER催化劑研究的熱點(diǎn)。
　　在雙金屬氮摻雜碳復(fù)合材料的制備中，本文

2、采用加熱回流制備出雙金屬前驅(qū)體，通過前驅(qū)體高溫煅燒制備出最終的CoNi雙金屬氮摻雜復(fù)合材料(CoNi-NC)。通過XRD、XPS、SEM、Raman等表征方法對上述催化劑進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。不同煅燒溫度導(dǎo)致催化劑的結(jié)構(gòu)形貌、結(jié)晶度和導(dǎo)電性不同。通過電化學(xué)測試對催化劑進(jìn)行HER/OER電化學(xué)性能測試。電化學(xué)數(shù)據(jù)表明，在N2飽和的0.1mol KOH堿性溶液中，采用相同方法制備的CoFe-NC和FeNi-NC的HER/OER性能均不如CoNi-

3、NC催化劑。雙金屬氮摻雜復(fù)合材料的電化學(xué)性能優(yōu)于其單金屬氮摻雜復(fù)合材料。在煅燒溫度對CoNi-NC的HER/OER電化學(xué)性能影響的測試中，CoNi-NC系列催化劑的HER/OER電化學(xué)性能隨煅燒溫度的增加均先增大后減小，800℃是最佳的煅燒溫度。10mA·cm-2電流密度下，CoNi-NC-800的HER過電位為175mV，Tafel斜率為207mV·dec-1;OER過電位為423mV，Tafel斜率為97mV·dec-1。這些數(shù)據(jù)均

4、表明CoNi-NC-800是性能優(yōu)異的HER/OER雙功能催化劑，這是因?yàn)閮煞N金屬的氫原子結(jié)合能不同導(dǎo)致材料吸附氫能力有強(qiáng)有弱，有利于氫氣的析出，氮元素的摻雜也增加了催化劑的催化活性。
　　在雙金屬納米材料的制備中，本文通過水熱合成FeNi雙金屬氧化物催化劑和CoNi雙金屬氫氧化物催化劑。油胺油酸、TOPO在催化劑制備過程中為修飾劑和穩(wěn)定劑。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了油胺油酸添加量、TOPO添加量以及雙金屬摩爾比等反應(yīng)條件對催化劑物質(zhì)結(jié)構(gòu)和

5、HER/OER電化學(xué)性能的影響。FeNi雙金屬氧化物催化劑電化學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果研究表明，油酸添加量為2mL，F(xiàn)eNi摩爾比為3∶1時(shí)，F(xiàn)eNi-NPs的HER活性最好，10mA·cm-2電流密度下，HER過電位為427mV，Tafel斜率為156mV·dec-1;FeNi摩爾比為1∶1時(shí)，F(xiàn)eNi-NPs的OER活性最好，10mA·cm-2電流密度下，OER過電位為416mV，Tafel斜率為113mV·dec-1。FeNi-NPs的微觀結(jié)構(gòu)

6、由納米球結(jié)構(gòu)逐漸變成納米棒狀。CoNi雙金屬氫氧化物催化劑電化學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果研究表明，TOPO的添加量在為3.5mmol，CoNi摩爾比為1∶1時(shí)的CoNi-DHs的HER活性最好，10mA·cm-2電流密度下，HER過電位為463mV，Tafel斜率為71mV·dec-1;CoNi摩爾比為1∶3時(shí)的CoNi-DHs的OER活性最好，10mA·cm-2電流密度下，OER過電位為379mV，Tafel斜率為56mV·dec-1。隨著CoNi摩

7、爾比的增加，CoNi-DHs的微觀結(jié)構(gòu)由正六邊形納米片狀結(jié)構(gòu)逐漸變成納米束狀。
　　通過硼氫化鈉還原四水乙酸鈷得到單質(zhì)鈷與二甲基咪唑回流自組裝得到Co@ZIF-67。利用XRD、TEM等表征手段可知其微觀結(jié)構(gòu)呈正十二面體的Co@ZIF-67。金屬鈷作為電解水催化劑的活性位點(diǎn)，與二甲基咪唑的添加比例對催化劑結(jié)構(gòu)形貌和電催化水分解性能有著重要影響。當(dāng)鈷單質(zhì)與二甲基咪唑添加比例為1∶2和1∶4時(shí)，催化劑的HER和OER均展現(xiàn)出了很好的活