基于类普鲁士蓝金属有机框架衍生氧化物的制备及电催化析氧性能的研究

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目前,能源储存及转换系统的开发与利用是解决能源挑战的重要策略。电催化水分解是将电能直接转化为化学能的过程。鉴于析氧反应(OER)是阻碍水分解反应高效率进行的主要原因,因此如何提高析氧催化剂的效率并兼顾经济成本就成了解决问题的关键所在。普鲁士蓝类似物(PBAs)是一种金属有机骨架(MOFs),由于具有成本低、骨架结构独特和组分可调控的特点,在电催化领域受到了诸多关注。本文以过渡金属基(Ni、Co、Fe)的PBAs为前驱体,将它们在空气中高温煅烧,得到二元金属氧化物,继而对镍-钴氧化物的金属比例进行调控,将所制备的材料进行表征分析及电化学性能测试后,研究不同组分、不同镍/钴比例对PBAs衍生物的电催化性能的影响,并分析原因。论文主要内容如下:
  利用共沉淀法制备过渡金属基(Ni、Co、Fe)的PBAs作为前驱体,然后将前驱体高温煅烧得到PBAs衍生的二元金属氧化物。经过电催化测试发现,Ni-Co氧化物催化剂表现出最佳的OER性能。根据SEM、TEM、HRTEM表征可知,经高温煅烧,催化剂保持立方体的框架结构不变,且呈现出多孔结构。结合XRD、XPS、BET表征分析及ECSA测试分析得出,Ni-Co氧化物催化剂的纳米立方体形貌及内部多孔结构不仅促进电极材料与电解质溶液的充分接触,还暴露出更多数量及种类的活性位点。
  通过对Ni-Co PBAs中提供主要活性位点的过渡金属Ni/Co比例进行调控,制备不同Ni/Co比例的PBAs衍生物,分别是Ni-Co-71氧化物、Ni-Co-31氧化物、Ni-Co-11氧化物、Ni-Co-13氧化物及Co-Co氧化物。经过电催化测试可得,Ni-Co-31氧化物的OER性能优于其它比例的PBAs衍生物。结合SEM、TEM、HRTEM、XRD、XPS、BET表征分析及ECSA、EIS测试分析,Ni-Co-31氧化物性能最佳的原因是其较小的尺寸、大的比表面积、大的电化学活性表面积、良好的导电性。这意味着OER过程中,Ni-Co-31氧化物离子传输路径更短,在催化剂与电解质之间暴露出更多种类及数量的活性位点。
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