过渡金属钴化物复合材料的工艺制备及其电水解性能的研究

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能源危机已成为全球最令人担忧的问题之一。由于传统化石燃料的消耗量不断增加,资源枯竭,与传统化石燃料随之而来日益恶化的环境污染问题。人们正在努力探索清洁能源,并逐渐的提高其在能源结构中的占比。在众多的清洁能源中,如大阳能、地热能、潮汐能、水能、氢能等,氢能(H2)以其燃烧热值高、清洁燃烧、和资源丰富而被认为是本世纪最有前途的清洁能源之一。在众多的制氢方法中,由于电分解水只依靠电能,而不需要传统的化石能源,而被认为是一种可持续产氢且有前景的途径。然而普通的电解水低的能量转换率限制了其大规模的应用。因此,电催化分解水被认为是将电能转化为清洁可再生氢源的一种可持续且有前景的途径。与贵金属相比,过渡金属因性能优异、其价格低廉、活性中心丰富和储量较为丰富而引起了广泛关注。其中,钴基催化剂因其环保、低成本和大规模制备的特点,被认为是潜在的非贵金属催化材料。因此在本文中我们探索了相关的电催化剂。铜基材料其可控的微/纳米结构、无毒性和丰富的储量,作为电催化剂越来越受到人们的关注。本文中,我们利用硫酸铵、尿素、氢氧化铜和泡沫铜作为前驱体成功制备了铜和钴修饰的Cu O@Co3O4纳米结构。通过简单的化学水浴合成和水热过程,然后在H2/Ar气氛中还原,在泡沫铜上形成铜和钴修饰Cu O@Co3O4纳米棒刺状结构。作为一种自支撑纳米结构,可以避免使用能削弱材料电催化性能的聚合物粘合剂,如Nafion等。此外,铜和钴修饰的Cu O@Co3O4电极具有独特的分级纳米棒刺状结构、协同效应和良好的导电性,可以增强催化活性,加速气泡从其表面释放,从而提高催化活性。因此,Cu/Cu O@Co/Co3O4在1.0 M的碱性KOH电解液中表现出相当优异的HER催化活性,具有82 m V(η10)的低过电压,以及48 m V dec-1的塔菲尔斜率。令人印象深刻的是,该材料具有优异的长期稳定性,Cu/Cu O@Co/Co3O4在1.0 M KOH电解液中放置35小时后,与原始催化性能相比仅有7%的衰减。镍基复合材料因其较为丰富的储量、性能优异、价格低廉和在碱性电解质中稳定存在以及组成和形貌可控,也逐渐进入研究人员的视野。本文中,Co Ni-LDH纳米片阵列被电沉积到CuxO纳米棒上(CuxO在泡沫铜上原位生成),以构建集成的一维纳米线-二维纳米片分层核壳纳米结构复合材料,作为高效电化学OER的自支撑电催化电极。得益于独特的分层核壳纳米结构,以及不同组分之间的协同效应,最终CuxO@Co Ni-LDH/CF表现出优异的性能。作为自支撑催化剂电极,可以避免使用降低其性能Nafion溶液等,过电压为207 m V@10 m A cm-2在1 M KOH溶液(p H 13.7)中和50.1 m V dec-1较小的塔菲尔斜率。此外,CuxO@Co Ni-LDH/CF与LDH其他材料相比也表现出相当优异的长期稳定性,在60小时的长期稳定性试验后,过电位仅有略微的升高。
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