小分子修饰的碱式碳酸钴电极的制备及其电催化分解水的机理研究与应用

来源 :南京信息工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wsndcs
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界面材料作为一种先进材料的设计形式引起了众多研究者的关注,尤其是在三维导电骨架上原位生长设计和合成界面材料,这样的电极材料不仅有丰富的比表面积,大量的孔道结构,还有合理的界面工程设计可以使电子效应和能带结构的协同调节效应最大化。这类材料近年来在电解水材料、超级电容器、电池等领域的应用被广泛报道。2,3,6,7,10,11-六羟基三亚苯基苯(HHTP)和六羟基苯(HOB)具有与苯环相连的酚羟基官能团,这类有机小分子由于具有吸电子或者斥电子的性能,具有一定的电子结构调节的功能,可以提高金属基催化剂的催化性能。因此,本文以HHTP和HOB这两种有机小分子修饰碱式碳酸钴形成异质界面原位生长在泡沫铜上,对其结构和电催化性能进行深入的研究。主要内容如下:(1)采用水热法在泡沫铜(Cu foam,CF)表面原位生长合成了碱式碳酸钴(COC),COC具有很好的棒状结构,直径在30-90 nm之间,电化学测试结果表明,在泡沫铜表面原位生长碱式碳酸铜之后的析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction,HER)和析氧反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)性能都有所提高。(2)采用水热法使用HOB对碱式碳酸钴表面进行修饰,表征结果表明HOB-COC材料保持着原始的棒状结构,但表面有明显的絮状物包覆,元素表征结果显示边缘的碳元素信号增强。电化学结果表明,3 mg cm-2的HOB负载的材料性能最好,修饰后HOB-COC/CF材料的HER性能明显优于未修饰的COC/CF,在20 m A cm-2电流密度的过电位低至125 m V,40 h后性能保持96.5%,析氢性能稳定性很好。(3)采用水热法使用大环分子HHTP对碱式碳酸钴表面进行修饰,表征结果HHTP-COC材料保持着原始的棒状结构,表面有明显的包覆物,元素表征结果显示边缘的碳元素信号增强。电化学结果表明,修饰后HHTP-COC/CF材料的HER性能明显优于未修饰的COC/CF,在10 m A cm-2电流密度的过电位低至61.5 m V,析氢性能的稳定性也很好。(4)为探究反应过程中的反应机理,进行了密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)计算,结果证明HHTP和HOB的修饰引起了界面的电子重排,有效地促进HER反应动力学,提供高活性的反应位点,且计算结果与实验测试结果一致。
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