基于过渡金属MOFs衍生材料的设计与优化用于电解水制氢

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在21世纪清洁能源体系中氢能已成为最有前景的能源之一,通过电解水制备绿氢是实现氢能的关键。然而,阳极的析氧反应(OER)和阴极的析氢反应(HER)会消耗大量的能量,为降低制氢成本,使用廉价高效的催化剂显得尤为重要。近年来,过渡金属催化剂因其价格低廉、导电能力优异和催化活性较好,在电解水制氢中得到了广泛的研究。金属有机骨架材料(MOFs)材料具有超高的表面积、多孔结构和结构的可调变性,在电催化中得到了广泛的关注。MOFs材料是制备功能复合材料的理想前驱体,同时也可作为模板来控制催化剂的形貌和结构,并且MOFs衍生材料已经在电解水中表现出良好的电催化性能,是一种很有前景的电极材料。然而,MOFs材料的稳定性和导电性还有待提高,因此,本论文主要内容是设计与优化MOFs衍生材料来提升其电解水催化性能。本研究工作以MOFs材料为前驱体,制备MOFs衍生的金属硫化物和金属氧化物来提高催化剂的导电性和稳定性,增加活性面积和调节电子结构,最终促进电解水性能的提升。采用SEM、TEM、XRD、TG、Raman、FT-IR、XPS及EDS等表征催化剂的结构和性质,通过电化学工作站来测试催化剂的性能。主要研究内容如下:1.通过溶剂热法和电化学处理来制备MOFs衍生的NC/Ni-Co3O4@Co1-xS催化剂。将ZIF-67煅烧后采用溶剂热硫化法制备NC/Ni-Co1-xS,再通过CV激活得到NC/Ni-Co3O4@Co1-xS催化剂,将此催化剂用于电解水制氢。研究表明,NC/Ni-Co3O4@Co1-xS具有良好的电导性和丰富的Co3+位点,其电催化活性显著增强。在电流密度为10 mA cm-2处其过电势为210 mV,并且可以连续在恒定电流为100 mA cm-2时保持70 h的稳定性,表现出良好的稳定性。将NC/Ni-Co3O4@Co1-xS材料构建双电极体系进行全水解测试,当达到10 mA cm-2的电流密度时,该体系仅需1.64 V的驱动电压,且在10 mA cm-2时具有100 h的稳定性。2.采用溶剂热法在NF表面原位制备双金属MOF-OH/NF。首先通过简单的配体辅助合成方法,促进二维层状氢氧化物(LDHs)转变为二维金属有机框架(MOF)材料,LDH作为可调节的金属释放源,控制二维MOF结晶和垂直生长,抑制了MOF材料的团聚,接着使用电氧化方法制备将制备的MOF/NF转变为MOF-OH/NF,并在碱性电解质中进行了电化学测试。得益于二维阵列结构的维持和泡沫镍良好的导电性,以及Co和Ni之间的协同作用优化了其电子结构,MOF-OH/NF在1.0 M KOH溶液中,电流密度分别为100 mA cm-2和1000 mA cm-2处具有260 mV和420 mV的过电位,并具有良好的稳定性。
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