非貴金屬氧化銅和鐵鎳磷納米片用于電催化水氧化的應(yīng)用研究.pdf

1、利用水分解反應(yīng)生成氫氣和氧氣，可以有效地將其它形式的能量?jī)?chǔ)存在化學(xué)燃料中，這種轉(zhuǎn)化已被廣泛認(rèn)為是解決能源消耗和環(huán)境污染有效的途徑之一。利用太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后再通過電催化水分解制氫，這一間接轉(zhuǎn)化可以有效地將間歇性的太陽能存儲(chǔ)在化學(xué)能中，且清潔無污染。但是作為關(guān)鍵的半反應(yīng)，氧析出反應(yīng)(OER)涉及到4電子/質(zhì)子的轉(zhuǎn)移耦合過程，具有很高的活化勢(shì)壘，因此成為電催化水分解制取O2和H2的瓶頸。在過去的幾十年中，貴金屬催化劑二氧化釕(RuO2)

2、和二氧化銥(IrO2)受到廣泛研究，他們?cè)趬A性溶液中表現(xiàn)出了很低的過電勢(shì)和塔菲爾斜率，被認(rèn)為是最有效地電催化水氧化催化劑。然而，它們的大規(guī)模應(yīng)用一直受到其稀缺性、超高成本和穩(wěn)定性差的限制。因此，人們開始致力于開發(fā)新型高效穩(wěn)定的OER催化劑，尤其是用成本效益高的過渡金屬催化劑代替貴金屬催化劑。但是過渡金屬催化劑都存在著導(dǎo)電性較差的通病，這極大地限制了其催化效率。本文在前人的工作基礎(chǔ)上，采用在泡沫導(dǎo)電材料表面原位生長(zhǎng)的催化劑直接作為電極，省

3、去了粘結(jié)劑的使用，極大地提高了催化過程中的電荷轉(zhuǎn)移效率。文章主要包括CuO納米片和FeNiP固溶體納米片陣列用于水氧化兩部分內(nèi)容:
　　1.基于泡沫銅表面原位生長(zhǎng)的CuO納米片電催化水氧化活性研究
　　在三維(3D)泡沫銅骨架上直接合成了CuO納米片催化劑，這種結(jié)構(gòu)不僅具有較大的比表面積、較多的催化活性位點(diǎn)，而且銅基底還能夠快速的進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，為實(shí)現(xiàn)快速的水氧化反應(yīng)提供了可能。采用X射線粉末衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(S

4、EM)和X射線光電子能譜(XPS)對(duì)合成的CuO納米片樣品進(jìn)行了物理表征;接著進(jìn)行電催化水氧化的性能測(cè)試，在所有被測(cè)試樣品中，在120℃、45min水熱條件下合成的樣品表現(xiàn)出了較優(yōu)異的OER性能，起始電勢(shì)為～1.58V vs.RHE，Tafel斜率為60.9mV/dec，同時(shí)具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
　　2.泡沫鎳基底上生長(zhǎng)的FeNiP固溶體納米片陣列的電催化水氧化研究
　　論文的第三章主要介紹FeNiP固溶體納米片陣列(Fe

5、NiP-NP)的合成及其作為高性能水氧化催化劑的應(yīng)用。在三維泡沫鎳上制備的FeNiP-NP催化劑，其起始過電勢(shì)僅有120mV，在180mV的過電勢(shì)下就能達(dá)到10mA/cm2的催化電流密度，Tafel斜率低至76.0mV/dec。此外，還通過在1.10-1.55Vvs.RHE下的循環(huán)伏安法(CV)對(duì)FeNiP-NP催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，經(jīng)過1000個(gè)CV循環(huán)后其催化電流幾乎沒有變化。據(jù)所知，F(xiàn)eNiP-NP催化劑說是迄今為止報(bào)道的