碳載四氧化三鈷電催化材料的制備及堿金屬摻雜對其性能的調(diào)控.pdf

1、針對貴金屬催化劑成本高，穩(wěn)定性差等問題，本論文主要制備了Co3O4/C電催化材料，對其氧還原和氧析出催化性能進行了研究，并通過堿金屬(Li、Na、K)摻雜的方式提高了Co3O4/C的電催化性能。
　　首先用酸化的Vulcan XC-72碳黑為碳載體，并利用油浴-水熱的方法，通過水熱時間的調(diào)控制備出了具有不同粒徑的Co3O4/C催化劑（預(yù)負載量均為50％），隨著水熱時間的增長，Co3O4的粒徑逐漸增加，而3h時的Co3O4/C催化劑

2、氧還原和氧析出性能都是最優(yōu)的，平均粒徑為4.5nm。在此基礎(chǔ)上通過同樣的方法在制備Co3O4/C的過程中進行了鋰摻雜，制備出了不同鋰摻雜量的碳載鋰摻雜四氧化三鈷催化劑(Li-Co3O4/C)，氧化物的平均粒徑都在4.5nm左右。而Li的摻入可以顯著提高Co3O4/C的氧還原性能，隨著Li摻雜量的增加，催化劑的氧還原活性呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在Li/Co=5％時的氧還原活性是最優(yōu)的，半波電位為0.865V(vsRHE)，比未摻雜的提高

3、了21mV。而這種催化活性的增強來源于氧化物與碳載體的界面內(nèi)共價鍵O-C=O-CoⅢ含量的增加，而這種界面共價鍵的增加是Li的摻雜引起的。
　　通過上述過程，發(fā)現(xiàn)催化劑中氧化物與碳載體的界面相互作用對氧還原性能起著促進作用，所以本論文接下來用高石墨化碳黑為碳載體，和油浴-煅燒的方法，通過煅燒溫度的調(diào)控，制備出了具有不同界面相互作用的Co3O4/GCB催化劑。并在這些Co3O4/GCB催化劑中發(fā)現(xiàn)了Co3O4的(111)晶面上形成了

4、擇優(yōu)取向，且煅燒溫度為300℃時的擇優(yōu)取向最強，且這種擇優(yōu)取向正是來源于氧化物與碳載體之間的界面共價鍵C-O-Co的作用。且Co3O4/GCB催化劑的氧還原活性隨著擇優(yōu)取向的增加而增加，擇優(yōu)取向最強的Co3O4/GCB催化劑的氧還原活性最優(yōu)，半波電位為0.83V(vs RHE)。擇優(yōu)取向通過減小Co3O4/GCB催化劑的電子帶隙Eg，從而提高其氧還原活性。
　　接下來為了研究其它堿金屬摻雜對Co3O4/C的催化活性的而影響，采用酸

5、化的Vulcan XC-72碳黑為碳載體和油浴-水熱的方法分別制備了不同摻雜量的Na-Co3O4/C和K-Co3O4/C催化劑。通過氧還原性能的測試，發(fā)現(xiàn)Na和K的摻入均能提高催化劑的氧還原性能，且分別在Na/Co=10％和K/Co=10％時的催化劑活性最高，半波電位分別為0.860V(vs RHE)和0.862V(vs RHE)，比未摻雜的提高了十幾毫伏。Na和K的摻雜可以提高Co3O4晶體內(nèi)氧空位的含量，從而提高Co3O4/C的催化