论文部分内容阅读
Ru O2和Ir O2等传统的贵金属电催化剂具有地壳储量低、成本高的缺点,急需开发出价格低且性能优异的替代材料。目前,层状结构的氢氧化钴(Co(OH)2)具有制备相对简单、成本低廉、无毒和电化学活性高的优点,已经被广泛应用于电解水催化剂、超级电容器、电化学检测传感器等领域。研究发现Co(OH)2具有两种晶型,分别是:α-Co(OH)2和β-Co(OH)2。α-Co(OH)2比β-Co(OH)2具有更优异的电化学性能,所以α-Co(OH)2成为电解水催化剂和超级电容器电极材料的热门材料。然而,现有的关于α-Co(OH)2的研究仍然存在制备方法较复杂、大的比表面积难以实现、电催化活性不高等问题。因此,本论文展开了纳米α-Co(OH)2制备方法的研究,发展出了一种纳米α-Co(OH)2的快速制备方法,并系统地研究了其在电催化析氧反应中的应用。进一步通过过渡金属元素掺杂,其电催化活性得以优化。此外,我们还研究了纳米α-Co(OH)2在超级电容器中的应用。发现α-Co(OH)2与多壁碳纳米管复合,得到的复合材料表现很好的电荷存储性能和良好的循环稳定性。本论文的研究工作主要包括如下三个方面:1.采用共沉淀法,以水和甲醇混合溶液作为溶剂,在氨水的调控下,发展出了一种快速制备纳米α-Co(OH)2的方法。并详细地研究了溶剂对合成α-Co(OH)2产物形貌和电催化活性的影响,发现当溶剂水和甲醇按照体积比为1:3混合时,合成的产物α-Co(OH)2具有最最优的电催化析氧性能。其起始电位为1.4 V,在电流密度为10 m A cm-2时,过电势为340 m V。其析氧性能明显优于采用水作为溶剂制备得到的α-Co(OH)2。形貌表征发现,在该条件下制备的纳米α-Co(OH)2具有花状纳米结构,而采用水做溶剂则只得到团聚严重的α-Co(OH)2。说明水和甲醇的混合溶液有益于纳米花状α-Co(OH)2的形成,具有明显的溶剂效应。2.在合成纳米花状α-Co(OH)2方法的基础上,我们在体系中加入Fe Cl2、Cu Cl2、Ni Cl2等过渡金属化合物,顺利得到过渡金属掺杂的α-Co(OH)2。形貌表征发现,Cu、Ni掺杂的α-Co(OH)2依然保持纳米花形貌,而Fe掺杂的α-Co(OH)2则变成纳米颗粒形貌。再对其进行电化学测试,发现过渡金属杂的α-Co(OH)2析氧性能比α-Co(OH)2更好。进一步探究过渡金属化合物掺杂浓度对OER性能的影响,得到Cu、Fe、Ni过渡金属的最优掺杂量。其中,掺杂浓度为20%的FeCo(OH)2具有最高的析氧性能,在10 m A cm-2电流密度下,过电势仅仅290 m V。此外,我们还研究了过渡金属掺杂的纳米α-Co(OH)2在电化学葡萄糖检测中的应用。发现在碱性溶液中,掺杂浓度为30%的Cu-Co(OH)2,具有最好的葡萄糖电化学检测活性。3.我们进一步将α-Co(OH)2与多壁碳纳米管(MWCNTs)复合,成功得到MWCNTs/α-Co(OH)2复合材料。通过形貌表征发现,纳米花状的α-Co(OH)2成功生长在MWCNTs表面。电化学测试发现该复合材料表现优异的电荷储存能力,在2 A/g电流下,MWCNTs/α-Co(OH)2复合材料比电容达到1027 F/g。同时,该材料也表现良好的循环稳定性,2000次重复充放电测试,比容量保留率为84%。