NiFe雙金屬氫氧化物的調(diào)控合成及其在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用.pdf

1、全球經(jīng)濟(jì)增長、人口膨脹及工業(yè)化帶來的能源快速消耗已經(jīng)給社會環(huán)境帶來了不同程度的污染。近期，可再生清潔能源開發(fā)以及CO2等溫室氣體的減排開始逐漸成為人們研究的重點(diǎn)。電解水制氫和CO2電催化還原過程是目前解決這兩個問題的有效手段。其中，電解水制氫由析氫(HER)和析氧(OER)兩個半反應(yīng)組成，析氧反應(yīng)為四電子轉(zhuǎn)移過程，從反應(yīng)動力學(xué)角度看較難進(jìn)行，因此這一研究中亟待尋找高效且價格低廉的穩(wěn)定的催化劑來加速析氧反應(yīng)。此外CO2電催化還原過程中，析

2、氧反應(yīng)也扮演著不可或缺的角色。作為氣體溢出反應(yīng)中的一類，析氧反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量氣泡，反應(yīng)過程需要較高的過電位，且氧氣氣泡造成催化劑表面的活性物質(zhì)的脫落，從而引起的催化劑穩(wěn)定性衰減等問題，對析氧催化劑提出了更高的要求。常用的催化劑RuO2及IrO2等有著優(yōu)異的析氧性能，但在電催化過程中易被氧化成RuO4及IrO3而發(fā)生溶解，降低了催化穩(wěn)定性，價格昂貴儲量有限因而限制了貴金屬類催化劑的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。近年來，大量研究致力于非貴金屬類可替

3、代型催化劑的開發(fā)利用，如鈣鈦礦、尖晶石等金屬氧化物，以及過渡系雙金屬氫氧化物等。過渡金屬基催化劑不僅價格低廉，合成工藝也較為簡單，還可以在堿性溶液中保持高效的催化效率，是一類良好的電催化材料。在上述眾多的OER催化材料中，過渡金屬NiFe層狀雙金屬氫氧化物(NiFe水滑石)在電催化析氧反應(yīng)中展現(xiàn)了優(yōu)異的催化活性，但NiFe水滑石(NiFe LDHs)催化劑在OER過程中的活性位點(diǎn)及氣泡溢出影響還有待于進(jìn)一步確認(rèn)，針對以上兩個問題，本文從

4、以下兩方面開展研究:
　　1基于水滑石層板可調(diào)控的優(yōu)勢，將Zn2+、Al3+分別引入NiFeLDHs層板，制備NiFeZn及NiFeAl三元水滑石，并嘗試?yán)脺睾偷膲A處理的方法，選擇性刻蝕Zn、Al，制備了富含Ni-O-Fe及Ni-O-Ni缺陷類水滑石，獲得了具有極高析氧活性的缺陷類NiFe LDHs催化劑。通過在0.1M KOH電解液中進(jìn)行測試，缺陷類NiFeZn LDHs催化劑暴露了Ni-O-Fe缺陷位，其起峰位僅為190mV

5、，遠(yuǎn)優(yōu)于NiFe LDHs本身的性能，而暴露了Ni-O-Ni活性位的缺陷類NiFeAl LDHs析氧活性相較于NiFeAlLDHs本身有一定的提升，但并未超過NiFe LDHs。結(jié)合密度泛函理論計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證了這一實(shí)驗(yàn)結(jié)論，缺陷類NiFeZn LDHs因其暴露了更多Ni-O-Fe活性位而使得OER性能得到顯著提升。
　　2通過簡單的水熱法制備了具有高活性的NiFe LDHs納米陣列電極，選用堿性測試環(huán)境進(jìn)行OER性能測試，并引入

6、十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)、十二烷基磺酸鈉(SDS)等不同電荷類型的表面活性劑對電極進(jìn)行修飾，研究兩類表面活性劑對于OER過程的作用，并原位觀測氣泡在固液相界面的接觸行為以及液相中的粘附行為。其中，電催化氧氣析出過程中NiFe LDHs-CTAB體系中氣泡尺寸較小且易于脫離電極表面，保證了NiFe LDHs納米陣列電極的本征催化活性，同時還提升催化穩(wěn)定性，揭示了通過引入表面活性劑，調(diào)節(jié)催化劑固相界面與溶液的氣液以及氣泡間三相接觸線