钴(镍)基金属氧化物复合材料的制备及其电催化性能的研究

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电化学水分解技术是一种可以替代传统化石燃料的清洁、可持续的氢气发电技术。这对缓解能源危机、发展可再生能源以及改善环境等问题具有十分重要的意义。析氧反应(OER)和析氢反应(HER)作为两个半反应,在动力学上属于慢电子转移反应,提高电催化过程中的电子转移效率是电化学催化和储能领域的主要挑战。因此,设计出高效电催化剂来增加反应过程中的电子转移效率,是降低电化学水分解过电位,并提高电催化效率的关键。当前,Ru、Ir和Pt等贵金属电极的高成本和稀有性阻碍了它们在催化剂中的大规模应用。因此,开发用于OER和HER的非贵金属、高效电催化剂具有重要的现实意义。迄今为止,由于非贵金属的过渡金属(例如,Co,Ni)的高效、低成本和资源丰富等特点,作为OER和HER的贵金属催化剂的替代品,它们引起人们的广泛关注。在本文中,以钴(镍)基氧化物作为研究对象,提供了一种简便新颖的制备方法,同时对钴(镍)基氧化物的形貌及组成进行表征,并对其进行相关的电化学性能测试及讨论。具体的研究内容如下:1、通过两步水热反应制备了多界面的FeOOH@NiCo2O4杂化纳米花。先通过第一步水热法合成NiCo2O4纳米花,经过400℃煅烧后的NiCo2O4纳米花作为前驱体,接着采用第二步水热法,在NiCo2O4纳米花表面生长FeOOH纳米颗粒,形成半导体异质结。该异质结电催化剂可提供丰富的电活性位点,并形成的FeOOH@NiCo2O4异质界面还可以提高电荷转移速率。结果表明,在HER和OER条件下,制备的催化剂表现出较强的电催化性能。此外,在双电极分水系统中,FeOOH@NiCo2O4异质结构作为一种双功能电催化剂,在10 m A cm-2电流密度下只需要1.58 V的电池电压,同时还具有优异的循环稳定性。2、我们采用一步水热法制备了三维球形Ni(OH)2@NiCo2O4异质结,并通过调节异质结的Ni/Co原子比来优化催化剂,然后研究了它们作为碱性电解质中OER和HER的高效电催化剂。其中,优化后的Ni(OH)2@NiCo2O4时具有很高的电催化活性。在10 m A cm-2时,OER和HER分别对应的过电位为215 m V和189 m V。Ni(OH)2@NiCo2O4异质结催化性能的提高归因于Ni(OH)2和NiCo2O4的化学协同结合,大的比表面积暴露出更丰富的活性中心,以及易于电子/电解质传输的异质界面。3、通过简单的水热法制备出Fe2O3@Ni(OH)2异质结,之后在空气中高温煅烧,将Ni(OH)2氧化为Ni O,得到Fe2O3@Ni O氧化物。异质结中Fe2O3中存在的氧空位,可以有效改善电荷分离和界面电荷转移效率。在1.0 M KOH碱性电解液中,在10 m A cm-2电流密度下,OER和HER过程中分别表现出224 m V和187 m V的低过电位以及低Tafel斜率。与单一的Fe2O3和Ni O材料相比,Fe2O3@Ni O异质结具有更优的电催化活性和稳定性。
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