镍基纳米纤维催化剂的制备及电解水析氧应用研究

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为了减少化石资源的过度开采和对环境的不利影响,环境友好的可再生能源成为了国际社会关注的焦点。具有“零”碳排放特征的氢能源的开发与应用成为了最具前景的方向,氢能源应用的最优选择是电解水制取绿氢。但电解水制氢反应中的阳极析氧反应(oxygen evolution reaction,简称OER)具有较慢的动力学特性,影响了电解水的效率。为了提高OER的效率,工业界常常使用贵金属及其化合物作为有效的催化剂,如Pt、Ir和Ru。但这些贵金属成本高、储备量少,难以满足扩大应用的要求。课题选择储量丰富、价格低廉、稳定性好和具有特征电子结构的Ni作为基础元素,通过复合过渡金属元素Fe、Cu,制备Ni-Fe-C和Ni-Cu-C复合型纳米纤维催化剂,研究其组织结构与OER性能。(1)以聚乙烯醇(PVA)为基体,分别以乙酸镍、乙酸铜为有效离子源,以去离子水为溶剂,分别配制一系列不同浓度的PVA溶液和金属盐/PVA溶液,进行纺丝性能研究,确定最优的纺丝参数:金属盐浓度0.6 mol/L的10 wt%PVA溶液、电压23-27 KV、进给速度0.0008-0.0012 mm/s、纺丝距离15 cm。(2)采用聚乙烯醇、乙酸镍、硫酸铜作为原料,经过静电纺丝技术制备出前驱体纤维(Ni Cu/S-PVA fibers)。前驱体纤维经高温气氛碳化处理,制备了含有Ni3S2成分的Ni-Cu-C型纳米纤维。Ni-Cu-C型纳米纤维表现出纳米多孔疏松结构。将Ni-Cu-C型纳米纤维制成电极,在1 M KOH溶液中测试其OER性能,结果显示,在电流密度10 m A cm-2处的过电位为373 m V,Tafel斜率为164 m V dec-1。(3)采用聚乙烯醇、乙酸镍和硫酸亚铁为原料,通过静电纺丝技术制备出前驱体纤维(Ni Fe/S-PVA fibers)。前驱体纤维经高温气氛碳化处理,制备了含有Fe4.5Ni4.5S8的Ni-Cu-C型纳米纤维。Ni-Fe-C型纳米纤维表现出纳米花枝状结构。将Ni-Fe-C型纳米纤维制成电极,在1 M KOH中测试其OER性能,结果显示,在电流密度10 m A cm-2处的过电位为258 m V,Tafel斜率为96 m V dec-1。研究表明,聚乙烯醇具有出色的纺丝性能,静电纺丝技术为制备一维纤维材料提供了一个简便有效的方法。纤维经高温碳化处理后,碳纤维的导电性和活性金属的分散性得到了显著提升。硫酸根的分解为体系提供了硫源,同时硫化物的生成有效提高了材料的催化活性。
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