【摘要】：能源短缺、環(huán)境污染和氣候變化是21世紀(jì)人類面臨的三大嚴(yán)峻問(wèn)題,開發(fā)新的清潔可再生能源被認(rèn)為是解決這些問(wèn)題的有效方法。由于能量轉(zhuǎn)化效率高、應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn),電化學(xué)能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化技術(shù)近年來(lái)受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。在諸多電化學(xué)設(shè)備例如電解水系統(tǒng)、金屬-空氣電池、燃料電池等中,析氧反應(yīng)(OER)和氧還原反應(yīng)(ORR)由于其緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)而受到限制,急需高效的催化劑加速其反應(yīng)過(guò)程。目前最先進(jìn)的OER和ORR催化劑是貴金屬及其氧化物,但由于價(jià)格高、儲(chǔ)量少,它們的大規(guī)模應(yīng)用受到了限制。因此,研發(fā)新型非貴金屬OER、ORR催化劑成為了電化學(xué)能源科學(xué)與技術(shù)中的一個(gè)重要課題�；谝陨媳尘�,我們從對(duì)材料的理性設(shè)計(jì)出發(fā),發(fā)展了幾種高效的過(guò)渡金屬基OER、ORR催化劑。本論文主要的研究?jī)?nèi)容如下:1、具有復(fù)雜自旋構(gòu)型的雙鈣鈦礦OER、ORR電催化劑的研究我們研究了雙鈣鈦礦催化劑La_2CoMn0_(6-δ)和La_2NiMnO_(6-δ)的OER、ORR性質(zhì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它們是有效的OER、ORR電催化劑。對(duì)于在600℃退火的La_2CoMnO_(6-δ)樣品,其在堿性電解液中相對(duì)于可逆氫電極(RHE)的ORR半波電位低至0.75V。隨后我們研究了 La_2CoMnO_(6-δ) La_2NiMnO_(6-δ)電催化活性與e_g軌道電子占有數(shù)之間的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種過(guò)渡金屬離子的e_g電子時(shí)都被考慮到時(shí),Shao-Hom及其同事提出的e_g填充規(guī)則稈La_2CoMnO_(6-δ)中是有效的。然而,對(duì)于La_2NiMnO_(6-δ)的情況,由于在不同條件下制備的樣品都具柯為的平均e_g占據(jù)數(shù),因此應(yīng)當(dāng)修改e_g填充規(guī)則。我們建議使用平均偏離于e_g占據(jù)數(shù)為1的程度來(lái)描述La_2NiMnO_(6-δ)的催化活性。修改后的e_g填充規(guī)則可用于設(shè)計(jì)平均e_g占據(jù)數(shù)為1的鈣鈦礦催化劑。2、二維(2D)金屬有機(jī)框架衍生的雙金屬磷化物/碳復(fù)合材料OER電催化劑的研究我們使用2D金屬-有機(jī)框架(MOF)作為前驅(qū)體,合成了嵌入碳納米片中的超細(xì)鈷-鐵雙金屬磷化物納米顆粒。碳基質(zhì)的2D形態(tài)和Co(1-x)Fe_xP納米顆粒的超細(xì)特征有利于提高OER催化性能。通過(guò)優(yōu)化MOF中Co/Fe原子的摩爾比,我們制備了一系列的Co(1-x)Fe_xP/C催化劑。其中C_(0.7)Fe_(0.3)P/C表現(xiàn)出最優(yōu)的OER催化性能,在堿性電解液中,達(dá)到電流密度為10 mA cm~(-2)時(shí)的過(guò)電位低達(dá)270 mV(相對(duì)于RHE),并且具有27 mV dec~(-1)1的超低Tafel斜率。適度的鐵摻雜保存了催化活性位點(diǎn)并提高了 CO_(1-x)Fe_xP納米顆粒表面被氧化的能力,從而增強(qiáng)了 OER活性。我們的研究結(jié)果為理性設(shè)計(jì)OER催化劑的形態(tài)和化學(xué)組成提供了研究基礎(chǔ)。3、2D雙金屬磷化物超薄納米片OER電催化劑的研究我們研究了一種作為新型OER電催化劑的2D雙金屬磷化物(Co(1-x)Fe_xP)超薄納米片。采用水熱法先制備了 2D鐵摻雜的(CO_3)_(0.5)(OH)·0.11H_2O作為前驅(qū)物,再通過(guò)快速加熱以及磷化處理得到2D的Co(1-x)Fe_xP超薄納米片。納米片的2D形態(tài)和不同過(guò)渡金屬元素之間的協(xié)同效應(yīng)有利于提高OER催化性能。通過(guò)優(yōu)化Fe原子的摻雜比,Co_(0.8)Fe_(0.2)P納米片表現(xiàn)出最佳的OER催化性能。在堿性電解液中,當(dāng)電流密度為10 mA cm~(-2)時(shí),它的過(guò)電位低達(dá)270 mV(相對(duì)于RHE),Tafel斜率為50 mV dec~(-1)。適度的鐵摻雜改善了 CoP納米片表面的氧化程度并保持了導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性,從而提高了 OER性能。我們的研究結(jié)果展示了通過(guò)理性設(shè)計(jì)制備新型非層狀2D納米材料OER催化劑的巨大潛力。
【圖文】：

會(huì)離不開能源，在一定程度上，，能源可以被看作人類社會(huì)發(fā)業(yè)社會(huì)，人力、畜力和d毶漳靜牡然竦玫納鎦誓蓯親鈧饕蹈錈岳�，煤、石油、天赛S然茉綽懔巳死嗉本繽跡保焙停保菜荊梢鑰吹矯禾克嫉謀壤鴆皆黽櫻冢保罰埃サ姆逯擔(dān)婧笥捎謔禿吞烊黃男似穡急壤鴆教烊黃壕晌鈧匾幕茉礎(chǔ)Ｈ歡�，化石能源的不可缺，例瓤r途莩蘋嵩詿笤跡玻埃暗劍常埃澳昴諳拇　４映ぴ床蛔鬩災(zāi)С秩死嗌緇岬某て詵⒄�。而从腺|(zhì)到嵌壤純�，过会对国家安全产生威胁，对化石能源祼砾稁F崠吹厙?guó)举|(zhì)埔渤晌艘桓鮒匾墓諍凸收撾侍�，受到g瀾綹鞴銎浯�，燃蓷／石能源所产生硫衍O鎩⒌躉锘嵩斐苫肪呈嵌躉潁ǎ

本文編號(hào)：2653877