高活性金属有机框架基电催化剂的合成与析氧性能研究

来源 :兰州大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:hy3508
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作为一种可将光伏、风电等间歇性电能转化成氢能的绿色能源技术,电解水制氢可以减轻人类社会对化石能源的过度依赖,缓解环境污染和气候变暖问题。然而,发生在阳极的析氧反应(OER)动力学缓慢,严重制约了制氢效率。另一方面,传统的贵金属Ru、Ir基材料尽管OER性能优异,但由于价格昂贵且储量有限,无法满足未来的需求。因此,发展高效稳定且廉价易得的电催化剂,以此提高电解水制氢效率,具有深远的意义。基于金属有机框架(MOFs)材料,本文通过不同的处理方式对其进行设计和改造,以调整和优化其电催化性能,进而获得高效性能MOFs基电催化剂,并加深对相关机制的认识和理解。具体研究工作如下:(1)采用简便的电化学活化法,对MOFs进行原位修饰,有效地提高了MOFs的OER活性,并探究了MOFs电化学活化速率及相变的影响因素。根据MOFs的晶体结构,其金属中心分别和两分子的配体与两分子的水络合。通过Fe离子的引入,削弱了金属中心与配位水之间的化学键,加速了MOFs表面羟基化过程。通过密度泛函理论计算,Fe的引入调节了含氧中间体的吉布斯自由能,提高了电催化剂的本征活性。电化学活化后,CoFe-MOF-OH在电流密度为10mA/cm2处的过电位为310 mV,与初始CoFe-MOF的过电位相比,降低了41 mV,电化学稳定性能维持40 h以上。(2)首先利用研磨剥离法引入Fe组分,获得的Fe@Co-MOF既继承了初始MOFs的层结构特征,又实现双金属MOFs的绿色合成;再经过NaBH4还原处理,获得具有核-壳结构的r-CoFe。该处理方式有利于形成大量的缺陷,暴露更多的活性位点;同时降低带隙能,提高电荷转移能力,进而提升OER性能。通过对比实验,证明了配体分子和Fe组分在NaBH4还原过程中起着重要作用。与初始Co-MOF相比,在电流密度为10 mA/cm2处,r-CoFe的过电位仅为253 mV,降低幅度达到了121 mV,TOF值增加了38倍;同时,在较大的电流密度下表现出良好的电化学稳定性。(3)根据MOFs结构中配体基团的热稳定性差异,通过控制热处理温度得到具有空位缺陷的D-CoCu-MOF-300;再经过部分磷化处理,获得了由CoP和缺陷MOFs构成的复合物CoP/D-CoCu-MOF-300。这种方法整合了MOFs和MOFs衍生物各自的优势,一方面保留了MOFs的结构,避免了结构坍塌和团聚造成的活性位点的减少;另一方面,原位生成的CoP具有较高的OER活性,与缺陷MOFs基底发挥协同作用,提高了材料的电化学性能。CoP/D-CoCu-MOF-300在电流密度为10 mA/cm2处的过电位为295 mV,Tafel斜率为65 mV/dec,均优于初始CoCu-MOF和完全磷化的CoP/(CoCu)2P4O12
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