普鲁士蓝类似物衍生的纳米复合材料的制备及其电催化分解水性能研究

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化石燃料的大量消耗引发了环境污染和能源危机,电催化分解水可制备清洁可再生的燃料:氢气。为了满足商业制氢需求,需要开发高效、廉价的电催化剂。贵金属基电催化剂成本极高,限制了其大规模的应用。因此,研制稳定、低成本的电催化剂极其重要。近年来,由于普鲁士蓝类似物(PBAs)具有组分可调节,比表面积高,成本低廉的特点而被应用于能量存储和转换领域。尤其是它们的衍生物,如过渡金属氧化物,磷(硫)化物,碳(氮)化物等具有好的催化活性。有报道表明,多金属催化剂比单金属催化剂表现出更好的电催化性能,因此可通过掺杂一种或多种元素来调节单金属催化剂的局部配位环境,电子结构及比表面积。3D网状泡沫镍是良好的导电材料。本论文在泡沫镍基底上原位生长普鲁士蓝类似物衍生的纳米复合材料并将它用作分解水的电催化剂。包括以下三个部分:(1)通过水热法在泡沫镍上合成镍钴铁普鲁士蓝类似物纳米立方体作为前驱体,随后在空气中煅烧处理,制得NiO/Fe OX/Co3O4@NF空心纳米立方体复合材料。杂金属离子的引入促进了不同离子之间的电荷转移,改变了催化材料的电子结构,降低了化学反应的活化能。此外,空心结构增加了催化材料的比表面积。结果表明:该电极材料对于水氧化产氧反应具备催化性能,使用较小的过电势(236 m V)可得到10 m A cm-2的电流密度,且表现出较快的OER动力学,Tafel斜率较小(71.25 m V dec-1)。(2)通过模板定向生长法在泡沫镍上水热合成氢氧化镍光滑纳米片,随后引入镍铁普鲁士蓝类似物纳米阵列,并在氩气中炭化处理,制得由氮掺杂碳层包覆NiO/Fe3C异质结构的纳米复合材料,Fe3C-NiO/NC@NF。结果表明:该核壳结构的电极材料对于分解水产氢产氧反应都具备高效的电催化性能,且展现出较快的析氧动力学(Tafel斜率:50.59 m V dec-1)和极佳的析氢活性(仅需196 m V可达到10m A cm-2),碳层包覆极大地提高了材料的稳定性,对于全水分解反应表现出超过18 h的长期稳定性。(3)通过两步水热反应,先在泡沫镍上合成锰铁普鲁士蓝类似物,浸入一定浓度的Na2MoO4水溶液中进行水热反应,最后在空气中煅烧,制得由纳米颗粒及超薄花状纳米片组成地复合材料,MnFeOX/MnMoO4@NF。结果表明:该电极材料对于水分解产氢产氧反应具备良好的电催化性能。
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