以金属酞菁/碳纳米管为前体制备高效电解水催化剂研究

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发展高效、稳定的非贵金属电解水催化剂是当前研究的热点。但它们存在过电位高,稳定性差和能耗过大等劣势,严重制约了电解水的发展。因此,研究和开发一种高效、稳定的氢气析出反应(HER)或者氧气析出反应(OER)催化剂具有非常重要的实用价值和现实意义。本文选用金属酞菁为金属源,碳纳米管(CNT)为支撑材料,将金属酞菁(CoPc、FePc、NiPc、MoPc)与碳纳米管通过π-π作用复合制备出金属酞菁/碳纳米管前躯体,进一步采用氮化、磷化、氢化、氧化等方法制备出了四种电催化剂,即CoN/CNT、FeP/CNT、Ni-Mo/CNT和NiO-Fe2O3/CNT。使用XRD、Raman、XPS、BET、TGA、ICP、SEM和TEM等手段分别对催化材料进行了表征,并对上述材料的电催化水分解性能进行了研究。(1)采用π-π自组装法制备了CoPc/CNT前驱体,通过将其在氮气中煅烧制备得到CoN/CNT催化剂。CoN/CNT催化剂在酸性电解质中展现出优良的电化学析氢性能。CoN/CNT催化剂的起始电位是-60 mV,达到10 mA cm-2的电流密度所需过电位为98 mV,塔菲尔斜率为60.3 mV dec-1。(2)采用π-π自组装法制备了FePc/CNT前驱体,通过将其在空气中煅烧以及低温磷化制备得到FeP/CNT催化剂。FeP/CNT催化剂在酸性电解质中展现出较好的析氢活性和稳定性。CoN/CNT催化剂的起始电位是-41 mV,达到10 mA cm-2的电流密度所需过电位为68 mV,塔菲尔斜率为58 mV dec-1,法拉第效率接近100%。(3)采用π-π自组装法制备了NiPc-MoPc/CNT前驱体,通过将其在空气中煅烧以及低温氢化制备得到Ni-Mo/CNT催化剂。Ni-Mo/CNT催化剂在酸性电解质中展现了良好的析氢性能。Ni-Mo/CNT催化剂的起始电位是-91 mV,达到10 mA cm-2的电流密度所需过电位为164 mV,塔菲尔斜率为69.4 mV dec-1。(4)采用π-π自组装法制备了NiPc-FePc/CNT前驱体,通过将其在空气中煅烧制备得到NiO-Fe2O3/CNT催化剂。NiO-Fe2O3/CNT催化剂在碱性电解质中展现了优异的析氧性能。NiO-Fe2O3/CNT催化剂的起始电位是1.45 V,达到10 mA cm-2的电流密度所需过电位为1.47V,塔菲尔斜率为43.3 mV dec-1
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