论文部分内容阅读
随着对清洁能源需求的增加，人们开始致力于开发高效率、低成本、环境友好型的可替代能源转换与存储系统。在燃料电池、金属-空气电池和电解水等多种可再生能源技术领域中，析氧反应(oxygen evolution reaction，OER)和氧还原反应(oxygen reduction reaction，ORR)是重要的能源转化过程，因此，寻找高效价廉的可应用于OER和ORR的双功能催化剂受到了持续的关注，已成为能源领域中的重要研究方向之一。二维（two-dimensional，2D）金属有机框架配合物(metal-organic frameworks，MOFs)由于其多孔的结构，层与层之间快速的质量和离子转移，以及较多暴露的活性金属中心，因而越来越受到人们的重视。 本课题旨在将多孔的金属有机框架配合物与具有良好导电性的二维纳米材料相复合，预期得到一种良好的双功能催化剂。具体研究内容如下: (1)首先我们采用水热法，用HF作为刻蚀剂选择性的刻蚀掉Ti3AlC2中的Al原子层，得到手风琴状的Ti3C2Tx，再通过超声的方法进一步打开层与层之间的距离，得到少层的Ti3C2Tx纳米片。以Ti3C2Tx纳米片为前驱体，将钴1，4-对苯二甲酸(CoBDC)利用原位扩散的方法与碳化钛（MXene相）复合得到Ti3C2Tx-CoBDC复合纳米片。Ti3C2Tx纳米片的表面具有很多官能团，如-(OH)x和-Fx，这些官能团使得Ti3C2Tx纳米片表面具有较高的亲水性，有利于CoBDC在其表面沉积。 (2)得到的复合材料具有较大的活性表面，两种组分紧密结合，可应用于析氧反应和氧还原反应中。在0.1 M KOH溶液中，Ti3C2Tx-CoBDC复合纳米片修饰的电极的起始电位为1.51 V vs.reversible hydrogen electrode(RHE)，在电流密度为10 mA cm-2时对应的电位为1.64 V vs.RHE。这些性能优于标准IrO2的催化析氧反应性能，甚至优于大部分已报道的基于过渡金属化合物的析氧催化剂。用Ti3C2Tx-CoBDC复合纳米片修饰的电极，在经过10000si-t曲线扫描后，电流密度保持率为84％，表明其具有良好的稳定性。Ti3C2Tx-CoBDC复合纳米片能够作为可充电锌空电池的正极，可以成功的为LED灯供能。在电流密度为50 cm-2时，基于Ti3C2Tx-CoBDC+Pt-C锌空电池的充电电压(2.27 V)和放电电压(0.48V)的差值为1.79V，这一值比基于标准IrO2+Pt-C的锌空电池小0.19V。在0.8mA cm-2电流密度下循环25圈后，观察到基于Ti3C2Tx-CoBDC+Pt-C锌空电池没有明显的性能损失。 (3)同时，Ti3C2Tx-CoBDC复合纳米片还表现出一定的氧还原(ORR)性能，在0.1 M KOH溶液中，Ti3C2Tx-CoBDC复合纳米片修饰的电极的转移电子数为3.5，大于Ti3C2Tx、CoBDC和物理混合的Ti3C2Tx-CoBDC的转移电子数。我们相信，通过结构性能的理性设计和复合材料的界面调控，原位复合MXenes和二维MOFs将会在能源应用领域有更加广阔的应用空间。