【摘 要】
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由于环境的污染,传统的化石燃料已经无法满足人们的能源需求,寻找绿色新型环保能源迫在眉睫。在新能源领域中,氢气被视为最佳能源载体之一。电解水是获得氢气最环保、最快速的手段。阳极发生的析氧反应(OER)在电解水过程中是一个核心反应,但反应中发生四电子转移,动力学反应缓慢,电解水的效率受到约束。Ir、Ru贵金属氧化物是目前析氧反应中活性最高的催化剂。但价格昂贵、地球上含量稀少无法满足大规模的应用。寻找廉
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由于环境的污染,传统的化石燃料已经无法满足人们的能源需求,寻找绿色新型环保能源迫在眉睫。在新能源领域中,氢气被视为最佳能源载体之一。电解水是获得氢气最环保、最快速的手段。阳极发生的析氧反应(OER)在电解水过程中是一个核心反应,但反应中发生四电子转移,动力学反应缓慢,电解水的效率受到约束。Ir、Ru贵金属氧化物是目前析氧反应中活性最高的催化剂。但价格昂贵、地球上含量稀少无法满足大规模的应用。寻找廉价、转化效率高、高活性的催化剂就成为电解水领域中的研究热点。本论文设计以研究过渡金属为主要方向,前期通过配制浓度不同的铁钴催化剂,在此基础上,研究不同配比的成分的催化活性,再掺杂其他元素进行探究具体研究内容如下:(1)钴与同时期的铁元素合金化的电子扰动效应有利于增强活性Co中心的析氧效应。在这项工作中,通过电沉积法制备了Fe0.5Co0.5合金,并对其微观形态、成分、结构和OER性能进行了分析,以研究前体溶液浓度比与最终催化性能之间的关系。由于表面微调,Fe0.5Co0.5合金在0.1 M KOH溶液中表现出345.3 m V的过电位和114 m V dec-1的Tafel斜率,这大大改善了单片Co OER的反应动力学。耐久性测试结果显示,经过长达7200秒的时间后,电流密度仍为5.2 m A cm-2。(2)采用电沉积方法,制备出一系列无粘结剂/无碳的FexCo1-x/Co OOH/Fe OOH(FCH-x)杂化材料。FexCo1-x框架可以有效增强FCH-x的导电性,并产生新的Co OOH/Fe OOH进行自补,为提高FCH-x的耐久性提供了理想的平台。本文对FexCo1-x的复合材料改性和d波段调谐有望增强FCH-x的活性。结果表明,即使在58小时的i-t测量后,FCH-7仍保持良好的质量活度~11.9 A g-1。最显著的是,与纯Co相比,FCH-7的d带中心正移~0.4 e V,这可能是其活性增强的原因之一。制备的FCH-7/GC具有无碳、无粘结剂、自补充、自增强和d波段中心平衡的独特性能,为开发高活性、耐用的OER催化剂,实现氧气制备的实际应用开辟了新的途径。(3)通过调整Fe、Ni、Mn、Cu、Zn、Cr的含量来进行实验。在实验中发现,10%的镍含量可以大大提高OER活性。Co7Fe2Ni1催化剂在0.1 M KOH水溶液中表现出OER活性,过电位为310 m V,电流密度接近5 m A/cm~2。此外,经过60个小时的耐久性测试,Co7Fe2Ni1催化剂在电流密度稳定的情况下表现出长期活性耐久性。通过调节元素含量,表明以钴铁为主的电沉积膜可以促进催化剂-电解质界面的动力学,并表现出优良的水分解催化活性。
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