【摘 要】
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持续增长的能源需求,有限的化石能源储量,以及生态和社会展现出来的系列问题,都促使人们迫切寻找清洁能源来取代化石能源。氢能具有热效率高、能量密度大、环境友好和可持续性等优点,被认为是未来替代化石燃料的理想清洁能源之一。目前,电催化水分解被公认为是一种高效且环保的获得氢气的技术。然而,发生在阳极电极上的析氧反应(OER)在动力学上十分缓慢,这极大地限制了电解水的整体效率,从而影响了产氢的效率。因此,开
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持续增长的能源需求,有限的化石能源储量,以及生态和社会展现出来的系列问题,都促使人们迫切寻找清洁能源来取代化石能源。氢能具有热效率高、能量密度大、环境友好和可持续性等优点,被认为是未来替代化石燃料的理想清洁能源之一。目前,电催化水分解被公认为是一种高效且环保的获得氢气的技术。然而,发生在阳极电极上的析氧反应(OER)在动力学上十分缓慢,这极大地限制了电解水的整体效率,从而影响了产氢的效率。因此,开发高效廉价、储量丰富的非贵金属基OER催化剂变得尤为重要。近年来,镍铁基OER催化剂因丰富的地球储量和优良的电催化性能得到广泛关注。本论文基于镍铁双金属,通过形貌控制、元素掺杂和与导电基结合等策略,设计制备了高效且稳定的OER催化剂。采用X射线粉末衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)等测试手段对合成材料的形貌及化学组成进行表征,并通过电化学测试研究它们在碱性介质中的OER性能。主要研究内容如下:(1)通过水热法在多孔泡沫镍基底(NF)上生长氢氧化镍阵列,并以此为前驱体与K3[Fe(CN)6]反应生成立方体结构的普鲁士蓝类似物(PBA),在氢氧化镍与立方体结构的PBA结合过程中,其阵列结构依然完美保持。为了提高材料的导电性和稳定性,将材料在300℃下进行硫化,得到NiFe PBA-S/NF。电化学测试结果表明,在碱性条件下NiFe PBA-S/NF具有出色的OER性能,在电流密度为10 m A cm-2时,所需的过电位仅为201 m V,塔菲尔斜率仅为44 m V dec-1,同时具有良好的长期稳定性。经表征分析可知,NiFe PBA-S/NF在OER测试过程中原位电化学活化,使暴露在表面上的金属离子转化为高价态,有助于OER性能增强。其次,独特的三维分层结构有效阻止了PBA纳米立方体的团聚,增大了材料的电化学活性面积,暴露了更多的活性位点。(2)通过一步溶剂热法在NF上成功生长了Ni-BDC金属有机框架,然后采用简单的电沉积法在Ni-BDC上制备了NiFe LDHs,得到NiFe LDHs@Ni-BDC/NF复合材料。该材料保留了Ni-BDC较大的表面积并一定程度上避免了NiFe LDHs纳米片的团聚,有利于催化活性位点的暴露。在1 M KOH溶液中测试NiFe-LDHs@Ni-BDC/NF的电催化性能,在10 m A cm-2的电流密度下,所需的过电位仅为221 m V,其塔菲尔斜率为38 m V dec-1。(3)通过与导电聚苯胺(PANI)结合来制备导电性良好的NiFe LDHs,从而提高电极材料的OER活性。实验结果揭示,NiFe LDHs-PANI/NF表现出良好的催化性能和稳定性。当电流密度为10 mA cm-2时,过电位仅为197 mV,Tafel斜率为36 m V dec-1。NiFe LDHs-PANI/NF优秀的OER性能得益于导电聚苯胺调整了NiFe LDHs的电子结构,加快了电子转移速率。
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