【摘 要】
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由于能源危机问题,使得制备绿色、廉价、可再生能源成为科研人员目前首要目标。氢能就是一种理想的清洁能源,其中电催化水分解是室温下制取高纯氢气的一种重要方法。析氢反应(HER)和析氧反应(OER)是电催化水分解中主要部分,但OER反应由于其是四电子反应过程从而导致其动力学过程速度缓慢,致使整个电解水动力学过程缓慢。因此,开发具有高效率、廉价的OER电催化剂是目前解决问题的关键。最近研究发现,过渡金属硼
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由于能源危机问题,使得制备绿色、廉价、可再生能源成为科研人员目前首要目标。氢能就是一种理想的清洁能源,其中电催化水分解是室温下制取高纯氢气的一种重要方法。析氢反应(HER)和析氧反应(OER)是电催化水分解中主要部分,但OER反应由于其是四电子反应过程从而导致其动力学过程速度缓慢,致使整个电解水动力学过程缓慢。因此,开发具有高效率、廉价的OER电催化剂是目前解决问题的关键。最近研究发现,过渡金属硼化物的OER性能较好,是一类新型的、有潜力的电催化剂,但其制备过程中容易发生团聚现象。本论文以泡沫镍(NF)为基体,钴铁水滑石(LDH:层状双金属氢氧化物)为枝干,采用低温液相沉积法在3D立体结构的铁钴水滑石表面生长过渡金属硼化物,解决了金属硼化物的团聚问题,提高了材料的电化学活性比表面积,使得OER性能得到进一步改善。其主要研究结果如下:(1)在泡沫镍基体上制备了非晶态铁钴硼材料,在1 mol·L-1 KOH中,Fe0.3Co0.7Bx/NF电极材料具有极佳的OER性能,在10 m A·cm-2时,析氧过电位为266 m V,在100 m A·cm-2时,过电位仅需337 m V,低于之前报道的同类电催化剂。又探究了其HER活性,发现Fe0.3Co0.7Bx/NF同样具有良好的HER性能,在1 mol·L-1 KOH中,在10 m A·cm-2时,析氢过电位为225 m V。表明Fe-Co之间的协同作用会极大地提升材料的OER和HER活性。(2)为了减少过渡金属硼化物的团聚现象,研究了作为硼化物的生长支撑体Fe Ni LDH和Fe Co LDH的制备和OER性能。研究发现Fe0.5Co0.5 LDH/NF的OER性能最佳,在1 mol·L-1 KOH中,在100 m A·cm-2时,析氧过电位需要365 m V,在50 m A·cm-2下经过10小时OER反应后,过电位基本保持不变。(3)创新性地以具备立体结构的Fe0.5Co0.5 LDH/NF(FC LDH/NF)为骨架,在其表面自生长Fe0.3Co0.7Bx(FCB),得到了催化性能更优的FC LDH@FCB/NF。在1 mol·L-1 KOH中,FC LDH@FCB/NF具有极佳的OER性能,在100 m A·cm-2时,析氧过电位仅需301 m V,低于之前报道的同类电催化剂。在50 m A·cm-2下经过10小时OER反应后,过电位基本保持不变。同时研究了其HER性能,在10 m A·cm-2时,析氢过电位为197 m V,在反应10小时后,其HER活性提升118.9%,证明了FC LDH@FCB/NF同时具有良好的HER活性及稳定性。FC LDH@FCB/NF作为全解水催化剂时,在20 m A·cm-2时,端电压仅需1.76 V。
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