铁基金属有机框架电催化材料的合成及其电解水性能研究

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日渐严重的能源短缺和环境污染问题,正推动着绿色新能源技术的快速发展。最近几年,氢能因能量密度高、来源多、以及没有碳排放等优点受到了科研工作者的关注。电化学分解水制氢是目前最理想的制氢技术之一,而反应过程中阳极发生的析氧反应涉及到缓慢的4电子转移与O-O键的形成,导致电解水过电位较大。因此我们需要制备高效的电催化剂降低过电位,加速析氧反应动力学。Ir O2,Ru O2等贵金属氧化物在电化学分解水反应中展现出了较好的催化活性,但是因其昂贵成本与原料稀缺,限制了它们的大规模应用。过渡金属基金属有机框架材料因其低廉成本、较大的比表面积和较多的孔结构等优点,被广泛应用于催化领域。基于以上的分析,本文第二章使用Fe、Zn过渡金属作为金属配体,对苯二甲酸(H2BDC)作为有机配体,通过溶剂热法一步在泡沫镍(NF)上合成Fe Zn-BDC电催化水分解材料。将获得的材料直接作为工作电极,在1 M氢氧化钾(KOH)电解液中进行OER测试,实验结果表明Fe Zn-BDC电催化材料有着较好的OER性能,在10 m A cm-2的电流密度下过电位仅为260 m V,材料测试稳定性长达16小时。为今后开发超高性能电催化剂的提供了一条有效途径。本文第三章先使用溶剂热法在NF上生长MIL-101,再采用静置法得到MIL-101@OX-MOF,最后对MIL-101@OX-MOF进行碱化使其原位转化为MIL-101@Ni Fe-LDH异质结材料。制备的MIL-101@Ni Fe-LDH在OER测试过程中展现出优异的性能,在10 m A cm-2的电流密度下,过电位仅为215 m V,Tafel斜率为55.1 m V dec-1。这一工作为构筑MOF/LDH异质结构提供了一种新的策略,并可应用于构筑其他具有优异电化学性能的催化剂材料。本文第四章先采用水热法在NF原位生长出MIL-88纳米片,再在MIL-88纳米片的表面生长出α-Ni(OH)2,生长出α-Ni(OH)2将MIL-88纳米片完全包裹住,最后得到MIL-88@α-Ni(OH)2电催化剂,该电催化材料有着较多的活性位点。在OER测试中,MIL-88@α-Ni(OH)2电催化剂并在10 m A cm-2的电流密度下,过电位仅为188 m V且Tafel斜率为77 m V dec-1,同时也在16小时的稳定性实验中也展示出来很好的稳定性。这一工作为构筑异质结构提供了一种新的策略,并可应用于构筑其他具有优异电化学性能的催化剂材料。
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