Fe/Co基过渡金属纳米复合材料的合成及其性质研究

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本论文主要以金属有机框架(MOF)为模板,成功制备出Fe/Co基过渡金属纳米复合材料,并探究了材料的组分和结构对其电化学储能和转换性质的影响。具体研究内容如下:1.基于FeCo-PBA的FeCo/C@Ni(OH)2的合成及电催化析氧性能研究以FeCo基金属有机框架FeCo-PBA为模板,采用煅烧以及水热相结合的方法,成功制备出部分碳化的FeCo-PBA与Ni(OH)2纳米片的复合材料,由于部分碳化的FeCo-PBA与Ni(OH)2纳米片的协同作用,该材料在碱性电解液(1 M KOH)中展现出优异的电催化析氧活性。首先通过室温共沉淀法制备出FeCo基金属有机框架FeCo-PBA,然后在氩气气氛下进行高温煅烧,就得到部分碳化的FeCo-PBA立方体。电催化析氧性能测试表明,380℃下煅烧2 h得到的样品电催化析氧性能最优异。通过对该样品进行水热处理,就得到部分碳化的FeCo-PBA与Ni(OH)2纳米片的复合材料,实验结果表明该复合材料相比于部分碳化的FeCo-PBA,电催化析氧活性更高,并且具有优异的循环稳定性。该复合材料为高效稳定的非贵金属电催化析氧催化剂的合成提供了一条可行的思路。2.基于PB的Fe/Co基氧化物多级结构的合成及超级电容器性能研究以Fe基金属有机框架普鲁士蓝(PB)为模板,通过离子交换和煅烧相结合的方法,制备出Fe/Co/Ni基氧化物多级结构,由于过渡金属氧化物之间的协同作用,Fe/Co/Ni基氧化物多级结构展现出相较于单一过渡金属氧化物更优异的超级电容器性能。首先通过化学沉淀法制备出表面负载不同量Co/Ni基氢氧化物纳米片的Fe基金属有机框架PB,然后通过与NaOH醇溶液之间的离子交换以及空气气氛下的煅烧处理,制备出Fe/Co/Ni基氧化物多级结构。实验结果表明,Fe-Co氧化物多级结构具有更优异的超级电容器性能,这主要归因于Fe/Co基氧化物之间具有更好的协同作用。3.基于MOF的碳纳米管的合成及电催化性能研究通过煅烧Fe/Co基金属有机框架和三聚氰胺混合物,制备出具有不同金属颗粒嵌入的氮掺杂碳纳米管,并探究了煅烧温度以及Fe/Co基金属有机框架和三聚氰胺质量比与样品电催化性能之间的关系。(1)以Co基金属有机框架ZIF-67为模板,采用煅烧以及低温固相磷化相结合的方法,成功制备出内嵌CoP纳米颗粒的氮掺杂碳纳米管,由于CoP与氢化酶的相似性以及CoP和氮掺杂碳纳米管之间的协同作用,该材料在碱性电解液(1 M KOH)中展现出优异的电催化析氢活性。首先通过室温共沉淀法制备出Co基金属有机框架ZIF-67,然后将ZIF-67与三聚氰胺按一定的质量比混合研磨后在氩气气氛下进行高温煅烧,就得到有金属Co(单质)嵌入的氮掺杂碳纳米管。电催化析氢性能测试表明,ZIF-67与三聚氰胺质量比为0.13,700℃下煅烧2 h得到的样品电催化析氢性能最优异。通过对该样品进行低温固相磷化处理,制备出有CoP纳米颗粒嵌入的氮掺杂碳纳米管,实验结果表明,该复合材料相比于有金属Co(单质)嵌入的氮掺杂碳纳米管,电催化析氢活性更高,并且具有优异的循环稳定性。该复合材料为高效稳定的非贵金属电催化析氢催化剂的合成提供了一条可行的思路。(2)以Fe基金属有机框架Ni Fe-PBA为模板,采用煅烧的方法成功制备出有NiFe合金嵌入的氮掺杂碳纳米管,由于NiFe合金的特殊电子结构以及NiFe合金和氮掺杂碳纳米管之间的协同作用,该材料在碱性电解液(1 M KOH)中展现出优异电催化全解水性能。首先通过室温共沉淀法制备出Fe基金属有机框架NiFe-PBA,然后将NiFe-PBA与三聚氰胺按一定的质量比混合研磨后在氩气气氛下进行高温煅烧,就得到有NiFe合金嵌入的氮掺杂碳纳米管。电化学测试表明,NiFe-PBA与三聚氰胺质量比为0.02,875℃下煅烧2 h得到的样品电化学性能最优异。该复合材料为高效稳定的非贵金属电催化全解水催化剂的合成提供了一条可行的思路。4.基于MOF的碳纳米管与MoS2复合材料的合成及电催化性能研究通过对上章制备的碳纳米管进行水热处理,成功制备出碳纳米管与MoS2复合材料,并探究了负载MoS2纳米片前后样品电催化性能的变化以及MoS2纳米片负载量对复合材料电催化性能的影响。(1)以内嵌CoP纳米颗粒的氮掺杂碳纳米管为基底,通过水热处理制备出内嵌CoP纳米颗粒的氮掺杂碳纳米管与MoS2纳米片的复合材料。实验结果表明,该复合材料相比于有CoP嵌入的氮掺杂碳纳米管,电催化析氢活性更高。内嵌CoP的氮掺杂碳纳米管和钼酸钠质量比为2.5时得到的样品电化学性能最优异,并且具有优异的循环稳定性。该复合材料为高效稳定的非贵金属电催化析氢催化剂的合成提供了一条可行的思路。(2)以内嵌NiFe合金的氮掺杂碳纳米管为基底,通过水热处理制备出内嵌NiFe合金的氮掺杂碳纳米管与MoS2纳米片的复合材料,实验结果表明,该复合材料相比于内嵌NiFe合金的氮掺杂碳纳米管,电催化全解水的分解电压更低。内嵌NiFe合金的氮掺杂碳纳米管和钼酸钠质量比为2.5时得到的样品电化学性能最优异,并且具有优异的循环稳定性。该复合材料为高效稳定的非贵金属电催化全解水催化剂的合成提供了一条可行的思路。
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