论文部分内容阅读
能源危机驱动了洁净可再生能源的研究,氢能的能量密度高、清洁无污染,被认为是最具潜力的能源载体,在众多制氢技术中,电解水技术受到广泛关注。然而,如今商用的高效催化剂大多仍然是贵金属及其氧化物,但其储量少、价格高,单纯依靠贵金属进行电解水制氢的产业化发展是难以持续的。过渡金属及其化合物形貌可控、电子结构易于调节,在电催化中表现出较大的潜力,其中金属钴储量丰富,可设计性高,且其氢氧化物(Co(OH)2)呈层状结构,可暴露较多的活性位点,是最有希望替代贵金属进行全水解产氢的催化剂之一。但在目前的报道中,具高效催化性能的Co(OH)2的制备通常借助高温或制备流程复杂,因此设计一种方法简单、在常温下制备的高催化性能Co(OH)2材料非常必要。另外,由于酸性电解质会腐蚀电解池设备,因此研究出成本低廉、可再生、适用于碱性电解质的高效催化剂也非常有意义。Co(OH)2材料在碱性电解质中通常表现出较差的析氢性能,而贵金属在碱性电解质中仍然具有较高的催化活性,目前通过对材料进行贵金属复合提高催化性能的策略尽管有一些积极的实验结果,但是还没有得到更广泛的研究。用简单方法制备具有高效OER性能的Co(OH)2材料并对其进行贵金属复合,补足HER性能不佳的短板,用来在碱性电解质下实现高效整体电解水的策略理论上是可行的。所以本文主要研究室温条件下Co(OH)2电极材料的合成,并对其微观结构和成分进行调控,探讨制备OER性能最优的Co(OH)2纳米材料的合成条件,另外采用对Co(OH)2复合RuO2的方法对材料进行进一步的优化。具体研究工作如下:(1)分等级结构的Co(OH)2超薄纳米片自组装团簇的制备及电水解性能研究:在室温条件下,通过简单的液相法合成了 OER性能优良的Co(OH)2电解水催化纳米材料,该样品由超薄纳米片组成,呈蜂窝状结构的多孔隙交联的纳米团簇,材料分散性好且材料中含有金属钴单质。分别探究了反应溶剂、反应时间、NaBH4浓度对Co(OH)2材料的形貌和电催化性能的影响。结果表明,在实验条件为 50 ml C2H6O、0.05 mol/L NaBH4、反应 3h 得到的 Co(OH)2 材料的 OER 性能最优,样品在1 M KOH溶液中达到10 mA/cm2的电流密度时,OER过电位仅为355 mV。(2)RuO2/Co(OH)2复合纳米材料的制备及电水解性能研究:利用液相法在以工作(1)获得的Co(OH)2超薄纳米片团簇表面复合RuO2,制备RuO2/Co(OH)2纳米材料,探究RuCl3·xH2O的用量对材料微观形貌的影响。结果表明,加入0.25 mmol RuCl3·xH2O 制备的样品 OER 和 HER 性能最优。RuO2/Co(OH)2与 Co(OH)2形貌保持一致,是RuO2、Co(OH)2、Co三成分构成的混合物。复合电极材料在1 M KOH溶液中达到10 mA/cm2的电流密度时,析氧过电位仅为192 mV(vs.RHE),析氢过电位为197 mV(vs.RHE)且电极材料稳定性很好。将其组成全水解电解池,在1M KOH溶液中产生10 mA/cm2的电流密度,只需要1.58 V(vs.RHE)的工作电压。