非贵金属催化剂应用于氧气析出与还原反应

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:InsideCSharp
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在诸如燃料电池,金属-空气电池以及电解水设备当中,电催化剂对于发生在这些设备中的氧还原(ORR)及析氧过程(OER)而言是极为重要的关键材料。然而,常用的催化剂Pt以及IrO2由于成本高昂的问题致使这些设备的商业化受到了严重限制。所以,研究制备高效稳定的非贵金属催化剂含有不同寻常的重大意义。多孔碳材料由于具备价格低廉,高导电能力以及高的物理化学稳定性等特征而可作为理想的替代品备选。现在,使用金属有机骨架材料(MOFs)来获得多孔碳材料是比较常见的方法。由于MOFs材料拥有很高的比表面积,可调控的孔隙率和易于功能化等特点,而且由MOFs材料衍生获得的材料能够很好的继承上述特点,因而最终获得的电催化剂具备很好的催化性能。基于上述讨论,本文利用MOFs作为前驱物合成制备了一系列非贵金属电催化剂,并研究它们对于ORR与OER的电催化活性。首先,通过选择一种双配体MOFs作为前驱物获得了一系列具有ORR催化活性的N,S共掺杂多孔碳材料。材料交错的网络结构和高比表面积与N,S共掺杂以及较高的石墨N掺杂量这些特点对于ORR催化性能的提高起到了至关重要的作用且该合成产物在酸性与碱性介质中均具备很好的催化活性。其次,通过一种简单的方法合理的设计合成了一种双金属MOFs材料前驱体,最终获得了一种具有高效ORR催化活性与OER催化活性的双功能催化剂。通过调节Zn与Co的相对比例这一影响因素,来探究影响材料ORR与OER催化活性的关键所在。我们发现对于ORR催化而言,Co/Co9S8物质与杂原子掺杂碳材料起到了同样关键的作用。相反,对于OER催化而言,Co/Co9S8则起到更为关键的作用。该方法最终制备的NSC-1-5材料具有很好的双功能催化活性。再者,我们使用一种MOFs作为前驱体合成了Co-B/C物质。高活性的Co-B物质和高导电性的碳基底对于Co-B/C的高OER活性表现起到了重要作用。最后,我们使用MoO3@ZIF-67复合材料作为前驱物,制备了一种Co2Mo3O8-MoO2@C纳米棒材料。该材料在碱性溶液中具有很好的OER催化活性,其仅要320 mV的过电位即可到达10 mA cm-2的电流密度。该材料具有很高的催化活性表现主要可以归因于高活性的Co2Mo3O8以及MoO2物质以及催化剂自身的独特结构。
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