镍基层状氢氧化物纳米材料的制备及其电催化性能的研究

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目前,在全球范围内,开发再生能源成为研究的热点并取得了令人印象深刻的成果,将可再生能源整合到当前能源行业(已化石能源为主)中是迫切希望的。氢气(H2)有望成为一种有前途的储能介质,其具有140 M J kg-1能量密度,燃烧产物中的碳含量为零。目前将近95%的H2是通过碳氢化合物(例如化石燃料或生物质)重整或热裂解方式得到,该方法存在着以下两个问题:尾气高含碳气体,生产高成本。因此,开发具有经济环境效益的合成氢气的方法是很有必要的。电解水为生产高纯度的氢气提供了一种高效、简便、清洁的途径。然而,析氧反应(OER)涉及相对较高的反应势垒(1.23 V)和四电子催化机理,成为了电解水制备氢的瓶颈。为了应对这个挑战,迫切需要开发高效的水氧化催化剂(WOCs),使其在低过电位下驱动高电流密度。当前,WOCs的基准是贵金属基材料(如IrO2和Ru O2),资源缺乏,成本价格贵等固有缺点,使其不能在工业中大批量生产。考虑到以上几点,探索富含地球元素的低成本WOCs具有很大的吸引力。镍基层状氢氧化物,由于其成本低、成分可调、氧化还原活性高、电化学性能优良等优点,近年来在能量存储和转换领域引起了广泛的关注,尤其是水氧化反应。但是由于其固有的缺点如:导电性差,比表面积小等因素阻碍了其在水氧化的应用。对此,一系列的镍基层状氢氧化物纳米材料被我们制备,然后进一步考察了其在OER方面的活性。主要工作内容如下:(1)锶(Sr)和镍(Ni)的组合作为LDH材料电沉积在具有优良导电性的304不锈钢上(NiSr LDH/SS)。不锈钢具有优良的延展性同时能在碱性条件下长期稳定,其次还能提高整体材料的导电性,利于电子的转移。解决了LDH导电性差的问题,采用的电沉积技术,使LDH能够稳牢固的生长在不锈钢上,避免了传统使用粘结剂导致的接触阻抗大的问题,同时还能扩大LDH的比表面积。当在1.0M KOH中测试时,NiSr LDH/SS只需要过电位为256mV,就可以在几何催化电流密度为20 mAcm-2的情况下提供优越的催化活性,同时能保持至少24小时的催化活性。(2)CuO@NiCo层状双氢氧化物核壳纳米阵列的制备及其电化学析氧性能的研究开发用于OER的分级电催化剂对于电化学制氢具有重要意义。我们设计开发分级结构的CuO@NiCo层状双氢氧化物生长在铜箔(CuO@NiCo LDH/CF)。当在1.0 M KOH中测试时,CuO@NiCo LDH/CF表现出优异的催化活性,几何催化电流密度为20mAcm-2,过电位仅为256 mV。它还表现出较强的长期电化学耐久性,以保持其活性至少24小时。以上研究内容不仅为镍基LDH纳米材料作为OER催化剂的设计提供了很好的参考,而且对于开发新能源,解决污染问题寻到了一种有效的方法。(3)La掺杂Cu(OH)2@NiCo纳米片阵列的制备及其电化学析氧性能的研究阳离子掺杂可能改变镍基材料的形貌,提高电导率,改善动力学过程。稀土金属元素La在富含丰富,但是关于OER的报道很少,我们试图在基于Cu(OH)2@NiCo LDH核壳结构进一步掺杂La元素。研究发现La掺杂的Cu(OH)2@NiCo LDH比Cu(OH)2@NiCo LDH具有更优异的催化性能,这主要归根于La与Cu(OH)2@NiCo LDH的协同作用可以有效增强该电极材料的导电性和稳定性。在OER测试中,在1.0 M KOH中,掺杂后的Cu(OH)2@NiCo LDH/CF需要295 mV的过电位来驱动中40 mA cm-2的几何电流密度,并且能够很好的保持其稳定性(至少25小时)。本研究再次证明了镍基纳米材料在碱性介质中作为OER催化剂的巨大潜力。综上所述,镍基纳米材料在用作OER催化剂时具有优良的性能,这为发展可再生的清洁能源提供新思路。
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