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氢能以其资源丰富、能量密度高、环境友好等特性成为一种理想的清洁能源。电解水制氢被广泛认为是最具发展潜力的制氢技术,而其中析氧反应(OER)涉及4电子传输和多个中间物的生成,使反应过程需要克服较大的能量势垒,成为影响反应效率的主要因素。因此,开发具有高效催化活性的催化剂来降低OER的能量势垒已经成为研究的热点。过渡金属Fe不仅储量丰富,价格低廉,毒性小,也是极具潜力的电解水催化材料之一。然而,目前已报道的纯Fe基材料的催化性能还不能满足电解水的大规模商业化应用。研究表明,引入导电材料以及元素掺杂能够明显提高催化剂的活性位点数量与电荷转移速率,是提高Fe基材料催化性能的有效途径。金属有机框架(MOF)是由金属离子/簇和有机配体通过配位键形成的具有周期性网络结构的多孔材料,不仅种类繁多、比表面积大、孔隙率高,还具有丰富的金属中心及碳源,被广泛应用于电化学领域中。本文以Fe基MOFs材料为研究对象,采用简单的溶液浸渍法和溶剂热法合成了一系列单金属和双金属Fe基MOFs材料,系统研究了材料的组成、结构、形貌等结构参数与电水解催化性能之间的关系,并对催化机理进行了探讨。主要内容包括以下三个部分:(1)利用Fe箔作为基底,通过溶液浸渍法原位生长Fe(TCNQ)2纳米线阵列(Fe(TCNQ)2/Fe),研究了双电层电容和导电性对Fe(TCNQ)2/Fe电化学OER性能的影响。结果表明,Fe箔在60℃的TCNQ溶液中浸渍4小时得到的催化剂展现出最优的电化学性能,在电流密度为10 mA cm–2时,所需过电位仅为340mV。同时在反应110 h后其活性无明显衰减,表现出很高的电化学稳定性。(2)在研究1的基础上,通过Fe、Co共掺杂在3D网状泡沫镍上生长MIL-53(Co-Fe)纳米片。由于双金属之间的协同作用,有效增加了材料的活性比表面积,明显提高了材料的电子传输能力,表现出更优异的OER催化活性。MIL-53(Co-Fe)纳米片在100 mA cm-2的电流密度时所对应的过电位仅为262mV,远低于单金属MIL-53(Co)/NF和MIL-53(Fe)/NF的OER过电位(348 mV和380 mV),并在持续电水解长达80 h后仍然能够维持其最初的电流密度,表明其具有优异的电催化稳定性。(3)在研究1的基础上,将Fe和配位数较高的镧系金属Tb共掺杂在泡沫镍上制备了MIL-53(Tb-Fe)/NF。实验结果表明,在电流密度100 mA cm-2时,MIL-53(Tb-Fe)/NF纳米片的OER过电位仅为241 mV,其活性超过了目前所报道的大多数非贵金属催化剂的催化活性,表明稀土金属Tb和Fe的协同作用能更有效地提高Fe基材料的催化剂活性。此外,MIL-53(Tb-Fe)/NF还表现出优异的电化学稳定性。这项工作为制备高催化活性的稀土金属基析氧材料提供了方案,并为开发有前途的高效电催化剂开辟了新的途径。