论文部分内容阅读
能源结构的变革带来了燃料电池,金属-空气电池,电解水等新型能源技术的兴起。氧气极涉及的电化学过程作为这些新兴能源技术的核心,对开发高效性能优良的氧气极催化材料有着重要的意义,成为了研究的热点。近几年,过渡金属化合物纳米材料,尤其是铁钴镍基纳米材料,在氧催化领域展现出巨大的潜能,受到广泛关注和研究,成为最有望替代贵金属的催化材料。本论文围绕铁钴镍基纳米材料的结构调控和氧催化性能方面开展了研究及探索。本论文的工作内容和取得成果具体如下:1.运用成核-晶化隔离的方法制备NiFe-LDH纳米材料,通过调节反应条件和原料比例对NiFe-LDH材料的形貌组成进行调控,探索NiFe-LDH材料的形貌组成与其氧析出电催化(OER)活性的关系。实验证明,水滑石材料的晶化温度与其结晶度成正比关系。通过调节合成过程中NaOH和Na2C03的比例,可以调节水滑石材料层间硝酸根和碳酸根的比例。通过对材料氧析出催化性能和形貌组成进行比较分析,可以认定水滑石材料的氧析出电催化性能与水滑石材料片层大小,结晶度高低以及层间插层的不同种阴离子的比例有很大的关系。片层小且结晶度低的NiFe-LDH材料拥有更多的氧析出反应活性位点;不同种类比例的层间阴离子,会改变NiFe-LDH材料的层间距,从而改变材料的电荷转移电阻和与电解质中离子的交换能力。通过研究,将水滑石的形貌组成与其氧析出催化性能建立联系,将有助于今后合成出具有更优良氧析出性能的水滑石材料。同时,也提出一种可以室温制备拥有高效氧析出催化性能的NiFe-LDH的新方法。2.通过在溶剂中混合钴盐,硫源和石墨烯后直接焙烧的简捷方法,制备出石墨烯表面均匀分布着纳米Co1-xS颗粒的Co1-xS/G复合材料。与之前报道的耗时长,后处理复杂的合成方法不同,这种合成方式过程简单,耗时短,无需后处理,减少了对环境的污染。更值得注意的是,在合成过程中只需调节合成过程中使用的溶剂和原料比例,可以得到不同形貌和晶相的硫化钴石墨烯纳米复合材料。调节复合材料的形貌和晶相,可以发现Co1-xS/G拥有优异双功能氧电催化活性,其氧还原电催化性能与商用Pt/C相当,氧析出电催化活性远远优于商用Ir/C。均匀小尺寸的Co1-xS/G纳米颗粒提供了丰富的氧催化反应活性位点,而Co1-xS/G纳米颗粒和导电基底石墨烯的强耦合作用为氧催化反应中的电子提供了传输路径,这两者的共同作用导致了 Co1-xS/G材料同时拥有优异的ORR及OER双功能氧电催化活性。同时,也提出一种可推广的简捷且环境友好的制备过渡金属纳米硫化物石墨烯复合材料的方法。