【摘 要】
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氢能具有清洁高效、应用场景丰富等优点,将成为能源行业变革的重要媒介。电解水制氢有望成为制氢的主流工艺,然而,在实际生产中电解水效率低下,这主要是受限于阳极上发生的析氧反应(OER),从而影响了电解水制氢工艺的发展。因此,寻找合适的析氧催化剂对于电解水的发展尤为重要。研究发现,双金属氢氧化物在电化学领域尤其是析氧反应中发挥着重要作用。本文以双金属氢氧化物为研究对象,以泡沫镍(NF)为基底,在NF上合
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氢能具有清洁高效、应用场景丰富等优点,将成为能源行业变革的重要媒介。电解水制氢有望成为制氢的主流工艺,然而,在实际生产中电解水效率低下,这主要是受限于阳极上发生的析氧反应(OER),从而影响了电解水制氢工艺的发展。因此,寻找合适的析氧催化剂对于电解水的发展尤为重要。研究发现,双金属氢氧化物在电化学领域尤其是析氧反应中发挥着重要作用。本文以双金属氢氧化物为研究对象,以泡沫镍(NF)为基底,在NF上合成双金属氢氧化物Ni Fe-OH和CoFe-OH,利用与其他材料复合和掺杂金属阳离子两种方法来提高催化剂析氧性能。本文研究了催化剂的组成、形貌以及结构对催化性能的影响。主要包括以下三个部分:1.两步沉积法合成NiTe和Ni Fe-OH复合析氧催化剂。采用水热法在NF上沉积NiTe纳米棒,再利用电沉积法在NiTe纳米棒上生长Ni Fe-OH,得到复合催化剂NiTe@Ni Fe-x/NF(x为Ni Fe-OH沉积时间)。研究发现,NiTe和Ni Fe-OH复合形成的三维核壳结构催化剂具有较大的比表面积,有利于活性位点的暴露和气体的扩散,进而提高了催化剂的析氧性能。Ni Fe-OH沉积时间为900 s时的催化剂NiTe@Ni Fe-900/NF具有最好的析氧性能,电流密度为50 m A/cm~2时的过电位为251 m V,tafel斜率为59.67 m V/dec。2.两步电沉积法合成CoFe-OH和CoNi-OH复合析氧催化剂。首先采用电沉积法在NF上合成CoFe-OH制备CoFe-x/NF催化剂,调节CoFe-OH的沉积时间,发现沉积时间为500 s的催化剂CoFe-500/NF具有最佳的CoFe-OH负载量。随后以CoFe-500/NF为工作电极,用电沉积法在CoFe-500/NF上继续沉积CoNi双金属氢氧化物(CoNi-OH),获得复合催化剂CoFe-500@CoNi-y/NF(y为CoNi-OH的沉积时间)。研究发现,CoFe-OH和CoNi-OH复合形成的分级结构提升了催化剂的电化学活性面积,改善了双金属氢氧化物活性位点暴露少的缺点,进而提高了催化剂的析氧性能。具有最佳复合比例的催化剂是CoFe-500@CoNi-150/NF,在10 m A/cm~2下过电位仅为221 m V,tafel斜率为34.56 m V/dec。并探究了CoFe-OH和CoNi-OH的沉积顺序对催化剂析氧性能的影响,不同的沉积顺序影响催化剂界面上的电荷转移速率。3.一步电沉积法制备Cu掺杂CoFe-OH析氧催化剂。采用一步电沉积法在NF上合成Cu掺杂CoFe双金属氢氧化物催化剂,保持电解液中金属离子总量不变,调控Co、Fe、Cu的比例,获得Co1-xFe1-xCu2x/NF(x=0.01,0.02、0.03、0.04、0.05)催化剂。Co0.96Fe0.96Cu0.08/NF具有最佳的析氧性能,在10 m A/cm~2的过电位为226 m V,tafel斜率为34.03 m V/dec。研究发现,Cu的引入调节了催化剂的电子结构,提高了催化剂的导电性,进而提高了催化剂的析氧性能。
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