几种金属氢氧化物/氧化物的制备及其电催化析氧反应应用研究

来源 :湖南师范大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:xianfaxianfa
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析氧反应(Oxygen evolution reaction,OER)是许多电化学能源技术系统中的重要电极反应。然而OER缓慢的动力学和较高的过电位极大地限制了能量转换效率,发展高性能的OER电催化剂具有重要意义。IrO2、RuO2等贵金属材料是常用的OER催化剂,然而由于其过高的成本和资源稀缺,限制了它们的应用和推广。寻找价格低廉和储量丰富的非贵金属OER催化剂成为近年来研究的热点。对非贵金属材料的形貌、结构和组成进行调控有望提高其催化活性及稳定性。本文以Fe、Co、Ni三种元素为基础,通过精确调控材料的形貌、结构和组成,设计和制备了几种氢氧化物/氧化物OER催化剂,提高了材料的电催化活性和稳定性。主要内容如下:(1)采用一步水热法在碳纳米管(CNTs)上生长了微量的Mn、Fe或Ni掺杂的CoMo层状双金属氢氧化物(LDH)。研究表明CoMo-LDH/CNTs中掺杂微量的Ni能极大地提高OER活性。在10 mA cm-2的电流密度下,Ni掺杂的CoMo-LDH/CNTs的OER过电位仅为230 mV、塔菲尔斜率为62 mV dec-1。X射线光电子能谱(XPS)表明高的表面元素价态有利于增强催化剂OER活性。此外,催化剂经过48 h的测试后仍能保留70%的活性,表明催化剂具有优良的稳定性。(2)通过简单的水热法与高温煅烧制备了具有纳米棒形貌的LaFex Ni1-x-x O3(LFNO)双钙钛矿材料。最优的以LaFe0.2Ni0.8O3(LFNO-II)钙钛矿为OER催化剂,在10 mA cm-2的电流密度下LaFe0.2Ni0.8O3(LFNO-II)的OER过电位仅为302 mV,塔菲尔斜率为50 mV dec-1,显示出了比商业Ir/C催化剂更高的催化性能。LFNO-II纳米棒也表现出较高的OER稳定性,经过20 h催化后电流密度仅有微弱的衰减。通过电化学活性表面积测试(ECSA)、XPS以及表面价带谱(VBS)研究表明,大的催化剂表面积、高的活性中心价态以及反应物与催化剂表面的强结合是提高OER催化剂性能的关键。(3)通过简单的室温搅拌法以及低温晶化,制备了BaCoO3(BCO)以及Ni(Cu)掺杂的BaNi(Cu)0.1Co0.9O3一维多孔纳米线(BN(C)CO)钙钛矿。以BCO、BN(C)CO纳米线作为OER催化剂,研究表明Ni掺杂的BNCO纳米线表现最高的OER活性,10 mA cm-2的电流密度下过电位仅为298 mV、塔菲尔斜率为71 mV dec-1。BNCO纳米线也表现出了高的稳定性,经过20 h的电解电流密度几乎没有降低。XPS结果表明,通过掺杂Ni元素调节Co活性中心的电子性质有助于增强催化剂的OER活性。
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