三維多孔Ni基金屬納米電極的制備與電催化性能的研究.pdf

1、化石能源的有限使用和環(huán)境惡化的日益加劇使得開發(fā)清潔的、可再生的新型能源和儲能設(shè)備成為當(dāng)務(wù)之急。氫氣能源和燃料電池因能量密度高、無污染、可持續(xù)利用等優(yōu)點而被認(rèn)為是化石燃料較為理想可行的替代品。當(dāng)前，開發(fā)高效、穩(wěn)定、廉價的電解水制氫和燃料電池的電催化劑以及電極材料已成為研究熱點。而三維多孔結(jié)構(gòu)是高效電極較為理想的形貌?；诖?，本課題設(shè)計了一系列兼具大孔和小孔的三維多孔廉價Ni基金屬納米電極材料，大孔可提高傳質(zhì)效率，小孔增大表面積、提高表面活

2、性原子含量。而且，通過對超疏氣鎳納米花電極、超薄金屬鎳納米片陣列電極以及超薄鎳-鈷合金納米片陣列電極的逐一設(shè)計，實現(xiàn)了對電極材料結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及組分的調(diào)控。并進(jìn)行了水合肼電氧化反應(yīng)和電解水析氫性能測試，性能優(yōu)異。具體研究內(nèi)容和實驗結(jié)論如下:
　　1、通過在泡沫鎳基底上水熱合成Ni(OH)2納米片陣列，再經(jīng)溶劑熱還原制備出了三維多孔金屬鎳納米花電極材料。鎳納米花的尺寸較為均一，結(jié)晶性良好。納米花之間以及花片之間具有很多小孔，再結(jié)合泡沫

3、鎳基底本身的大孔，形成了大孔中有小孔的三維多孔結(jié)構(gòu)。同時，三維多孔鎳納米花電極材料具有超疏氣的表面，對氣泡具有超低的粘附力，生成的氣泡能夠迅速地脫離電極表面，及時暴露出更多的活性位點。相比于目前商業(yè)上使用的Pt/C催化劑，三維多孔鎳納米花電極材料具有更高的水合肼氧化和電解水制氫(HER)的催化活性以及更高的穩(wěn)定性。同時，本實驗也為非貴金屬納米結(jié)構(gòu)的可控設(shè)計開辟了新的途徑。
　　2、通過對生長在泡沫鎳基底上的Ni(OH)2納米片陣列

4、進(jìn)行緩慢溫和的溶劑熱還原后，制備出三維多孔超薄鎳納米片陣列電極。制備的金屬鎳納米片具有單晶的層狀結(jié)構(gòu)，表面暴露(111)晶面，且厚度僅為2.2 nm。因為采用了緩慢的動力學(xué)轉(zhuǎn)換過程，氫氧化鎳陣列的多孔結(jié)構(gòu)被保存下來。鎳納米片陣列表面極為粗糙，對氣泡幾乎沒有粘附力，表現(xiàn)出了超疏氣的特性。同時，因具有大量的表面活性原子和良好的單晶結(jié)構(gòu)，三維多孔超薄鎳納米片陣列比目前商用Pt/C催化劑具有更高的水合肼氧化(HzOR)催化活性。又因具有可調(diào)控的

5、表面狀態(tài)，在經(jīng)過部分氧化以后，鎳/氧化鎳納米片陣列可作為高效的電解水析氫(HER)和電解水析氧(OER)催化劑。據(jù)我們所知，單晶鎳納米片是超薄非貴金屬納米片的首次報道，可為非貴金屬納米片的制備提供一種簡單可行的方法。
　　3、通過拓?fù)浠瘜W(xué)轉(zhuǎn)換/還原氫氧化鎳鈷納米片陣列的方法，制備出了三維多孔超薄鎳-鈷合金納米片陣列。鎳-鈷合金納米片為(fcc)型單晶結(jié)構(gòu)，且鎳元素和鈷元素可均勻分布在納米片中。對不同摩爾比的鎳鈷合金納米片進(jìn)行水合肼