過渡金屬氧化物三維分級納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑及其電催化性能研究.pdf

1、能源需求的增加使有限的化石燃料枯竭的負擔變得更加沉重，為了尋找環(huán)保、可再生的綠色能源，克服未來能源的焦慮，政府鼓勵科學家們尋找新的可代替能源。氫作為一種新型綠色資源，具有零碳排放、能量密度高以及高能量轉(zhuǎn)換效率的特點。電解水制氫是零碳排放、大規(guī)模產(chǎn)生氫的重要技術(shù)之一。但是高純度、大規(guī)模地生產(chǎn)氫具有一定難度，因為電解水反應(yīng)實際需要一個較高的電位，約為1.8-2V。這明顯大于理論分解電壓1.23V。這個電勢電位與催化活性相關(guān)，被用來在陽極電極

2、發(fā)生析氧反應(yīng)，在陰極發(fā)生析氫反應(yīng)。因此，活性好、效率高的催化劑必須要在合理的電流密度下，減少電極過電位以確保電解水反應(yīng)過程變得更節(jié)能。
　　到目前為止，對析氫反應(yīng)來說，鉑及類以鉑為基礎(chǔ)的材料是最好的催化劑。Pt在微不足道的過電位下表現(xiàn)出較高的陰極電流密度。然而，貴金屬及其化合物屬于稀缺性資源，并且成本較高，這限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。大多數(shù)的以非貴金屬氧化物為基礎(chǔ)的電極材料迄今少有作為析氫和析氧的雙功能催化，高活性催化劑的報道。這是因

3、為同一電解質(zhì)環(huán)境下，不適當?shù)木w結(jié)構(gòu)會使電極材料導電性降低，從而阻礙其在全水分解過程中的適用性。因此，設(shè)計并構(gòu)筑具有具有特定形貌結(jié)構(gòu)的高活性、高耐用性、價格低廉的非貴金屬催化劑成為當下研究的熱點。
　　本文結(jié)合當下非貴金屬催化劑的研究現(xiàn)狀，主要做了以下兩方面的進展工作:
　　(1)構(gòu)筑了一種新型三維Cu2O@MnO2核/殼納米線陣列結(jié)構(gòu)電極。基于三維網(wǎng)狀導電基底泡沫銅，在其表面生長Cu2O納米線陣列作為核芯材料，MnO2納米

4、片作為包覆層材料。性能優(yōu)異的的Cu2O@MnO2NW/NS陣列具有很高的催化活性和很強的耐久性。在電流密度為10mA/cm2時，過電位為132mV（相對于標準析氫電位）。這是純錳氧化物/氫氧化物催化劑活性應(yīng)用于的析氫反應(yīng)的第一個示范。此外，仔細分析和表征后，我們發(fā)現(xiàn)Cu2O@MnO2NW/NS高活性主要來源于水鈉錳礦型MnO2（δ-MnO2）到Mn(OH)2的演變。在電催化反應(yīng)中，Mn(OH)2的是高度活躍的析氫催化劑。這些研究結(jié)果將為

5、其他錳基催化劑的探索提供了新的試驗與理論依據(jù)。
　　(2)構(gòu)筑一種簡便的方法在泡沫鎳表面原位制備活性高、多層次結(jié)構(gòu)的NiCo2O4納米線@NiCoO2納米線樹枝狀結(jié)構(gòu)。基于三維網(wǎng)狀導電基底泡沫鎳，得到的電極材料表現(xiàn)出分層的樹枝狀結(jié)構(gòu)，其中NiCo2O4納米線為骨干，NiCoO2納米線的分支。所制備的NiCo2O4@NiCoO2NW/NW納米材料具有顯著的催化活性和良好的耐久性。在1M KOH電解液中，當電流密度為10mA/cm2時