基于類水滑石的納米復(fù)合物及其在雙功能氧電極中的催化應(yīng)用.pdf

1、隨著氣候的不斷惡化和化石資源的持續(xù)消耗，探索與發(fā)展新型清潔能源已成為當(dāng)今社會(huì)重要的科學(xué)話題。能源轉(zhuǎn)換與貯存過程中的氧電極反應(yīng)，即氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER），是制約燃料電池和電解水技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一，為此人們不斷探求著高效的氧電極反應(yīng)催化材料。類水滑石（LDH）又稱層狀雙金屬氫氧化物，具有雙金屬種類可調(diào)性、層間陰離子可交換性和結(jié)構(gòu)記憶等特性。基于這些特性，本文分別使用原位生長(zhǎng)法、煅燒復(fù)原法和靜電組裝法，將LDH分別與石墨烯

2、、氮化碳復(fù)合制備了基于LDH的納米復(fù)合催化劑，并研究了它們?cè)谘蹼姌O反應(yīng)中的雙功能催化性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴水熱條件下，通過在反向膠束內(nèi)給予堿源和金屬鹽，實(shí)現(xiàn)了NiFe-LDH在氧化石墨烯（GO）基底上的原位生長(zhǎng)，經(jīng)移除模板和還原處理，得到了類球狀的還原GO-LDH，記做rGO-LDH；其中rGO作為導(dǎo)電基底，可顯著增強(qiáng)復(fù)合物的導(dǎo)電能力；該催化劑修飾電極的OER起始過電位僅為240 mV，與貴金屬RuO2催化劑所得值相當(dāng)

3、，當(dāng)電位為1.530 V時(shí)，電流密度高達(dá)32.388mA/cm2，其ORR起始電位約為0.796 V，極限擴(kuò)散電流約為-3.845 mA/cm2，在甲醇混合液中，其電流密度損失不足10％。⑵還原條件下，將氮化碳（C3N4）納米片組裝在GO-LDH復(fù)合物上，得到了表面粗糙度顯著增大的氮摻雜的rGO-LDH，記為NG-LDH；其中rGO可顯著增強(qiáng)復(fù)合物的導(dǎo)電能力，氮摻雜造成的結(jié)構(gòu)缺陷，不但增大了復(fù)合物的比表面積，還賦予其一定的ORR催化能力

4、；該催化劑修飾電極的OER起始過電位為256 mV，雖然相較于未氮摻雜的rGO-LDH催化劑增加了16 mV，但在1.530 V時(shí)，其電流密度高達(dá)42.636 mA/cm2，是純 NiFe-LDH的9倍，遠(yuǎn)高于未摻雜的 rGO-LDH（32.388 mA/cm2），其ORR起始電位正移至0.853 V，半波電位約為0.802 V，顯著高于傳統(tǒng)層狀材料，在甲醇混合液中，其電流密度損失不足8%。⑶將CoFe-LDH的煅燒產(chǎn)物于 GO的水溶液

5、中復(fù)原，在還原條件下進(jìn)行氮摻雜，得到了具有一定結(jié)構(gòu)缺陷的氮摻雜rGO/LDH，記為NG/LDH；該復(fù)合物中LDH六角片呈多方向鋪展?fàn)?，C3N4納米片組裝在rGO薄片和LDH納米片上，增大了比表面積，而rGO增強(qiáng)了催化劑的導(dǎo)電能力；該催化劑修飾電極的OER起始過電位約為244 mV，在1.530 V時(shí)其電流密度約為14.371 mA/cm2，是純CoFe-LDH的7倍，其ORR極限擴(kuò)散電流密度高達(dá)-5.222 mA/cm2，接近于20 w

6、t%的Pt/C修飾電極，在甲醇混合液中，能夠維持原有的ORR電流強(qiáng)度。⑷在甲酰胺中，NiFe-LDH納米片與GO片層通過靜電引力自組裝為GO-LDH，再將氨基離子液體（NH2-IL）共價(jià)修飾在GO上，得到了離子液體修飾GR-LDH，記做 IL-GR-LDH；NH2-IL的共價(jià)修飾不但增強(qiáng)了復(fù)合物的分散穩(wěn)定性和親水能力，還改善了催化劑的導(dǎo)電能力；該催化劑修飾電極的OER起始過電位約為282 mV，在1.530 V時(shí)其電流密度約5.998