鎳鈷基電催化劑的制備及氧電極催化性能研究.pdf

1、隨著人類(lèi)社會(huì)和世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源的不斷消耗和環(huán)境的不斷惡化成為人類(lèi)面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題，人們迫切的需要發(fā)展新型與可再生能源以此減少對(duì)有限的傳統(tǒng)化石能源的依賴(lài)。其中電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)技術(shù)（如燃料電池、金屬-空氣電池和電解水等），因能量轉(zhuǎn)化效率高和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)成為了各國(guó)科學(xué)家的研究方向和熱點(diǎn)。電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)技術(shù)的核心是一系列的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程:氧還原反應(yīng)、氫氣氧化反應(yīng)和氫氣、氧氣析出反應(yīng)。
　　一般而言，動(dòng)力學(xué)非常緩慢的氧還原

2、和氧析出反應(yīng)制約著整個(gè)電化學(xué)裝置的綜合性能和商業(yè)化進(jìn)程。合成和設(shè)計(jì)優(yōu)良活性的電催化劑是加速這些反應(yīng)進(jìn)程的關(guān)鍵。目前，商用電催化劑都為貴金屬基材料（如:鉑基、鈀基、銥基等），其高昂的價(jià)格和稀缺性成為上述電化學(xué)技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的制約因素。近年來(lái)，為提高電催化反應(yīng)的效率，開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉、地球資源豐富的非貴金屬納米電催化劑替代貴金屬納米電催化劑已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注?；诖?，本文主要內(nèi)容包括合成了催化活性高、穩(wěn)定性好和價(jià)格低廉的氧氣電催化劑。主要內(nèi)容包

3、括以下幾個(gè)方面:
　　1，我們提出一種“自上而下”的合成策略，通過(guò)簡(jiǎn)單的原位高溫?zé)峤夥椒ㄖ苽淞艘环N負(fù)載量超過(guò)4％的氮摻雜的多孔碳負(fù)載Co單原子催化劑。以ZnCo-BMOF為前驅(qū)體，在超過(guò)800℃高溫?zé)峤膺€原的過(guò)程中，Co離子被配體熱解形成的碳還原并伴隨著Zn的揮發(fā)。摻雜的Zn起著“柵欄”的作用增加了相鄰Co離子在空間上的距離，不發(fā)生Co-Co鍵的生成。合成的Co單原子催化劑在0.1M KOH溶液中表現(xiàn)出優(yōu)越的氧還原催化活性和穩(wěn)定性

4、，半波電位達(dá)到0.881V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Pt/C和大部分報(bào)道的非貴金屬納米電催化劑。在研究過(guò)程中，我們利用球差矯正電鏡，X射線(xiàn)精細(xì)吸收譜等表征手段，在原子水平上對(duì)催化劑的結(jié)構(gòu)給出了較為清晰的圖像，從而為探索催化劑的構(gòu)效關(guān)系奠定了良好的基礎(chǔ)。此反應(yīng)策略可以推廣到其它金屬(如Ni，Cu，F(xiàn)e，Ru)等一系列單原子催化劑的合成，為以后其他單原子催化劑的制備提供了新的策略和思路。
　　2，電催化劑的設(shè)計(jì)和合成在電化學(xué)可再生能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中占據(jù)非

5、常重要的地位。利用氧化石墨烯(GO)直接分散未經(jīng)處理的碳納米管作為基底，通過(guò)簡(jiǎn)單溫和的水解方法負(fù)載具有一定氧析出活性的NiCo層狀雙氫氧化物(NiCo-LDH)。氧化石墨烯被認(rèn)為具有類(lèi)表面活性劑的性質(zhì)，含有疏水性的芳香碳環(huán)和親水性的羥基、羧基等邊緣基團(tuán)。氧化石墨烯可以與碳納米管通過(guò)π-π鍵相互作用而直接分散碳納米管(CNT)，無(wú)需對(duì)碳納米管表面進(jìn)行功能化或表面活性劑處理，氧化石墨烯與碳納米管的表面可通過(guò)π-π鍵相互作用而結(jié)合。這種方法不

6、僅保留了氧化石墨烯的水溶性，并且碳納米管也無(wú)需經(jīng)過(guò)任何功能化修飾處理，能保留完整的電子結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，碳納米管阻止了氧化石墨烯的聚集并且提高了氧化石墨烯的導(dǎo)電性。通過(guò)改變GO與CNT的比例，當(dāng)GO與CNT的比例為1∶1時(shí)，得到OER活性最優(yōu)的復(fù)合材料。在0.1 M KOH溶液中，NiCo-LDH/GO-CNT的OER電催化的起始電位僅為1.42V，比其他催化劑的起始電位要負(fù)得多。穩(wěn)定性測(cè)試表明循環(huán)1000圈后電流密度仍能保持90％以上。