基于非贵金属(镍、钴)催化剂的电催化水氧化研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:wangsong1008
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氢能是一种能量密度高、清洁无污染的能源,是替代传统化石燃料,解决能源和环境问题的理想选择。电催化水分解制氢是简单、高效且环境友好的产氢方式。然而,水分解反应中的水氧化半反应涉及到四个电子的转移,所以它是动力学缓慢的过程,是电催化水分解反应的瓶颈。因此,开发具有高催化活性的水氧化催化剂(WOCs),是实现廉价电催化水分解产氢的关键。镍钴双金属氧化物和氢氧化物因其出色的催化水氧化活性、低廉的价格而受到广泛的关注。然而金属氧化物和氢氧化物电导率低的特性阻碍了它们水氧化性能的提升。鉴于此,本文通过形貌构建以及与导电材料结合的方式提升了镍钴双金属氧化物和氢氧化物的电催化水氧化性能。具体内容如下:(1)首先,以SiO2作为牺牲模板,通过回流、煅烧、刻蚀等实验手段,制备了NiCo2O4纳米片包覆在碳空心球外表面的C@NiCo2O4催化剂。将C@NiCo2O4负载到泡沫镍(NF)上获得C@NiCo2O4/NF电极。在1 M KOH溶液中,该电极达到10 mA cm-2电流密度所需的过电位(η)仅为268 mV,展现出优异的电催化性能。研究表明,空心碳球的引入不但加快了催化剂的电荷转移速度、增强了其电子传输能力,还提供了适宜的三维形貌,帮助暴露更多的活性位点。(2)首先通过化学氧化、煅烧的方式在泡沫铜(CF)上原位生长了CuO纳米线,然后以电沉积的方式将高导电能力的金属镍包覆在CuO纳米线表面,最后,以低温水热(85℃)的手段在镍包覆的CuO纳米线表面垂直生长NiCo氢氧化物纳米片,获得了NiCo/Ni/CuO/CF电极。在1 M KOH溶液中,其达到10和100 mA cm-2的电流密度,所需的η为246和286 mV,并且Tafel斜率仅为37.9 mV dec-1,展现出出色的催化水氧化性能和快速的反应动力学。此外,在100 mA cm-2的电流密度下,该电极可以稳定工作60 h以上且没有性能的衰减。研究表明,这种独特的含有高导电镍层的纳米线纳米片结构,不但提升了催化剂的电子转移能力,同时也暴露了大量的活性位点,而且这种原位生长的结构每一层都紧密结合,有利于催化剂长期稳定的工作。
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