【摘要】：太陽能分解水制氫是解決當(dāng)前能源和環(huán)境危機(jī)的潛在手段之一.其中由于水氧化半反應(yīng)涉及4個(gè)電子和4個(gè)質(zhì)子的轉(zhuǎn)移,因此是全分解水反應(yīng)的瓶頸所在.為了發(fā)展高效的水氧化催化劑,降低水氧化過電位,人們付出了巨大的努力.目前活性最高的水氧化催化劑都是基于釕和銥的貴金屬催化劑,高昂的成本阻礙了這些催化劑的規(guī)�；瘧�(yīng)用,因此人們嘗試?yán)酶鞣N方法制備基于廉價(jià)金屬的水氧化催化劑.2008年,Nocera課題組利用電沉積法從磷酸溶液中得到了高活性氧化鈷催化劑,之后該法逐漸得到推廣.最近,Spiccia和Allen課題組利用分子前驅(qū)體通過電沉積法制備了氧化鎳催化劑,但其催化活性和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高.本文將一個(gè)簡單的鎳配合物[Ni(en)_3]Cl_2(en=1,2-乙二胺)作為前驅(qū)體溶解到磷酸緩沖溶液中,在FTO基底上電沉積得到具有高催化活性的氧化鎳水氧化催化劑.在pH=11的磷酸緩沖溶液中,由分子前驅(qū)體沉積所得到的NiO_x的催化電流達(dá)到1 mA/cm~2時(shí)的過電位為375 mV,且可穩(wěn)定工作10 h以上.其催化過程中的Tafel斜率為46 mV/decade,表現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)力學(xué)特性.該電極和之前文獻(xiàn)中催化活性最高的從分子前驅(qū)體衍生得到的NiO_x相比展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢.比如在1.3 V(相對于NHE)電壓下,[Ni(en)3]Cl2衍生的NiO_x催化電流密度可以達(dá)到8.5 mA/cm~2,法拉第效率為98%.而Ni-氨基乙酸衍生的NiO_x在相同條件下催化電流密度為4 mA/cm~2,法拉第效率僅為60%.該工作充分證明以分子配合物作為前驅(qū)體是制備高效高穩(wěn)定性多相水氧化催化劑的簡便途徑.有機(jī)配體和金屬螯合的分子前驅(qū)體在結(jié)構(gòu)上具有靈活可調(diào)的特性,從而有助于構(gòu)建活性和效率更高的催化體系.
[Abstract]:Solar energy decomposing water to produce hydrogen is one of the potential methods to solve the current energy and environmental crisis. Because the water oxidation half reaction involves the transfer of 4 electrons and 4 protons, it is the bottleneck of the total decomposition of water reaction. In order to develop efficient water oxidation catalyst and reduce water oxidation overpotential, great efforts have been made. The most active catalysts for water oxidation are precious metal catalysts based on ruthenium and iridium, which are hindered by their high cost. Therefore, a variety of methods were used to prepare water oxidation catalysts based on cheap metals. In 2008, Nocera team obtained highly active cobalt oxide catalysts from phosphoric acid solution by electrodeposition, and the method was gradually popularized. Recently, the Spiccia and Allen groups prepared nickel oxide catalysts by electrodeposition using molecular precursors, but their catalytic activity and stability need to be further improved. In this paper, a simple nickel complex [Ni (en) _ 3] Cl_2 (en=1,2- ethylenediamine) was dissolved in phosphoric acid buffer solution as precursor, and electrodeposited on FTO substrate to obtain a catalyst with high catalytic activity for water oxidation of nickel oxide. In the phosphoric acid buffer solution of pH=11, the catalytic current of NiO_x deposited by the molecular precursor reached 1 mA/cm~ 2 with an overpotential of 375 mV, and a stable working time of more than 10 h. The Tafel slope of 46 mV/decade, in the catalytic process showed excellent kinetic properties. Compared with the NiO_x derived from the molecular precursor, the electrode has a great advantage over the NiO_x derived from the molecular precursor, which has the highest catalytic activity in previous literatures. For example, at 1.3 V (relative to NHE), the current density of NiO_x derived from [Ni (en) 3] Cl2 can reach 8.5 mA/cm~2, Faraday efficiency of 98. However, the Faraday efficiency of NiO_x derived from Ni- aminoacetic acid was only 60 under the same catalytic current density of 4 mA/cm~2,. This work fully proves that the molecular complex as precursor is a simple way to prepare high efficiency and high stability multiphase water oxidation catalyst. Organic ligands and metal-chelated molecular precursors have flexible and adjustable structure, which is helpful to construct a more active and efficient catalytic system.
【作者單位】： 大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;瑞典皇家工學(xué)院化學(xué)系;
【基金】：supported by the National Basic Research Program of China(973 program,2014CB239402) the National Natural Science Foundation of China(21476043) the Swedish Energy Agency and K&A Wallenberg Foundation~~
【分類號(hào)】：O643.36;TQ116.2

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本文編號(hào)：2205122