【摘 要】
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清洁能源的使用是现代社会绿色可持续发展的需求,氢气作为一种高能量密度且燃烧产物对环境无害的能源,被认为是传统化石燃料的理想替代品。目前,利用催化剂电解水是最有效产生氢气的方法之一。水的分解由两个半反应组成:(I)析氢反应(HER)和(II)析氧反应(OER);其中OER过程存在四个电子—质子的耦合,是决定水分解效率的关键步骤,因此寻找一种高效,经济的OER催化剂是电催化分解水制取氢气的核心问题之一
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清洁能源的使用是现代社会绿色可持续发展的需求,氢气作为一种高能量密度且燃烧产物对环境无害的能源,被认为是传统化石燃料的理想替代品。目前,利用催化剂电解水是最有效产生氢气的方法之一。水的分解由两个半反应组成:(I)析氢反应(HER)和(II)析氧反应(OER);其中OER过程存在四个电子—质子的耦合,是决定水分解效率的关键步骤,因此寻找一种高效,经济的OER催化剂是电催化分解水制取氢气的核心问题之一。过渡态金属以及化合物由于储量丰富,价格低廉,同时作为OER催化剂也展现了高效的催化性能,受到了人们的广泛关注。本论文以SrRuO3为基础,利用激光脉冲沉积的方法制备出SrRuO3薄膜,研究其OER催化性能。具体内容分为以下三个部分:(1)通过改变薄膜的生长温度或选择不同材料的生长基底,利用激光脉冲沉积方法制备出不同结构高质量的非晶、多晶和不同取向(<100>/<110>/<111>)的单晶SrRuO3薄膜。通过系统的电化学测试后发现,非晶SrRuO3薄膜表现出优异的OER催化性能,在电流密度为1m A/cm2时的过电位仅为28 m V,较单晶SrRuO3的性能提高了5倍左右。通过对不同结构SrRuO3薄膜的电子结构测试,发现非晶SrRuO3薄膜的表面氧含量是晶态SrRuO3薄膜表面氧含量的两倍。并在测试中发现由于其特殊的非晶状态,会在催化过程中展现出自适应性。(2)通过改变薄膜生长条件,调控非晶SrRuO3薄膜的电化学性能。在利用激光脉冲沉积方法生长氧化物薄膜时,氧分压是影响薄膜质量的关键因素。当增大薄膜生长过程中的氧分压时,非晶SrRuO3薄膜的表面氧含量增大,对样品的OER性能起积极作用;同时通过XPS和XAS表征发现当增大氧分压时,非晶SrRuO3薄膜中的Ru价态减小,这对样品的OER性能起消极作用。因此当改变非晶SrRuO3薄膜生长过程中的氧分压时,样品所表现出的OER性能是薄膜表面氧含量和薄膜中Ru价态共同作用的结果,所以当氧分压增大时,非晶SrRuO3薄膜的OER性能呈现出先增大后减小的变化趋势。(3)结合已有的文献报道和我们的实验结果发现,虽然SrRuO3的OER催化活性十分优异,但是其催化稳定性却很差。所以如何提高SrRuO3的催化稳定性是其应用到商业催化剂中的关键。本文通过在非晶SrRuO3薄膜表面覆盖一层电化学性质稳定的La Ni O3薄膜,保证样品在1m A/cm2的电流密度与商业催化剂Ru O2基本相同的水平下,电化学稳定性提高了近十倍。
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