Fe3+摻雜NiCoO2的制備及電催化性能研究.pdf

1、環(huán)境污染和能源缺乏是當(dāng)今社會(huì)面對的兩大難題，氫能作為一種新型、綠色、高效的能源，備受關(guān)注，其中電解水制氫技術(shù)被認(rèn)為是解決能源短缺問題的有效方法之一。通常，電解水會(huì)同時(shí)產(chǎn)生氧氣和氫氣，由于析氧反應(yīng)是四電子轉(zhuǎn)移過程，在堿性電解質(zhì)中會(huì)導(dǎo)致析氧反應(yīng)的過電位過高，同時(shí)其電極穩(wěn)定性低，因而制約了電解水制氫技術(shù)的發(fā)展。到目前為止，貴金屬氧化物被認(rèn)為是最有效的催化劑，如氧化銥（IrO2）和氧化釕（RuO2），然而，由于其成本高、儲(chǔ)量少、持久性欠佳等，限

2、制了其大范圍應(yīng)用。因此，迫切需要探索儲(chǔ)量豐富、成本低、活性高的非貴金屬氧化物電催化劑。
　　在過去的幾十年中，儲(chǔ)量豐富的3d過渡金屬氧化物及其衍生物已引起極大的關(guān)注。在這些3d金屬基催化劑中，Ni基氧化物和Co基氧化物被公認(rèn)為是有前途的候選者?；诖?，本文采用水熱法合成NiCoO2催化劑，并對其進(jìn)行Fe3+離子摻雜改性，研究了其電催化析氧性能，并通過樣品的晶體結(jié)構(gòu)、形貌、比表面積和表面羥基化等方面分析了Fe3+離子摻雜后電催化性能

3、提高的原因。
　　本論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論分為以下三部分：
　?、俨捎梅奖阋撞僮鞯乃疅岱?，以硝酸鎳和硝酸鈷作為原料，在反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，然后在氮?dú)鈿夥罩懈邷赝嘶鸷铣蒒iCoO2催化劑粉末。XRD、Raman、EDX以及ICP-MS測試結(jié)果表明制備的NiCoO2粉末不含雜質(zhì)相。SEM的觀測結(jié)果顯示，合成的 NiCoO2物質(zhì)是由納米片團(tuán)聚的球型結(jié)構(gòu)。XPS測試結(jié)果顯示NiCoO2中的Ni離子為+2價(jià)態(tài)，Co離子為+2價(jià)態(tài)。

4、線性掃描伏安測試結(jié)果顯示，在0.1 M KOH溶液中，NiCoO2在電流密度為10 mA cm-2時(shí)的過電位為405 mV， Tafel斜率為91 mV dec-1，在電位1.532 V時(shí)，NiCoO2的質(zhì)量活性為2.59 A g-1， TOF值為0.000504 s-1。同時(shí)，穩(wěn)定性（I-t）測試發(fā)現(xiàn)NiCoO2催化劑在1.53 V的恒電位下持續(xù)10 h衰減了36%。
　　②為了進(jìn)一步提高NiCoO2催化劑的電催化析氧性能和穩(wěn)定

5、性，采用對NiCoO2摻雜金屬離子的方式進(jìn)行改性研究。采用水熱法對NiCoO2催化劑進(jìn)行Fe3+離子摻雜。論文從Fe3+離子摻雜前后的NiCoO2催化劑在化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、比表面積、元素價(jià)態(tài)以及表面羥基化等方面分析了摻雜引起NiCoO2電催化性能提高的原因。XRD和Raman測試表明摻雜Fe3+離子無其他峰出現(xiàn)，說明Fe3+離子摻雜進(jìn)NiCoO2的晶格中。SEM觀測結(jié)果顯示摻雜Fe3+離子后物質(zhì)的片狀團(tuán)聚結(jié)構(gòu)有分散的趨向，并

6、未發(fā)生明顯變化。XRD測試結(jié)果顯示摻雜Fe3+離子之后的衍射峰變?nèi)?，結(jié)晶度降低。從BET測試結(jié)果可以看出摻雜Fe3+離子可以顯著地增大比表面積，進(jìn)而增大與電解液的接觸面積。TEM測試顯示摻雜Fe3+離子之后發(fā)生了晶格膨脹現(xiàn)象，有利于電解液滲入物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)。XPS測試結(jié)果顯示摻雜 Fe3+離子之后，+2價(jià)態(tài)的Ni離子和Co離子部分價(jià)態(tài)升高，且表面容易羥基化，說明摻雜Fe3+離子之后表面潤濕性增強(qiáng)。可見，F(xiàn)e3+離子摻雜能夠有效地降低結(jié)