本文關(guān)鍵詞：3d過渡金屬合金層狀雙氫氧化物的制備及其電解水催化性能

  更多相關(guān)文章： 電解水 析氫析氧反應(yīng) 層狀雙氫氧化物 反應(yīng)活性位點

【摘要】：3d過渡金屬因存在未填滿的3d電子軌道,即存在未成對的3d電子,這些電子既能與水中的H~+和OH-形成大量鍵能大小適中的化學(xué)鍵(例如M-OH-/H+鍵),又能使催化產(chǎn)生的H_2和/或O_2快速地從金屬離子位脫附逸出樣品表面,故同時具有優(yōu)異的析氧和析氫活性。此外,3d過渡金屬層狀雙氫氧化物(LDHs)一般為層狀結(jié)構(gòu),既具有比表面積大、反應(yīng)活性位點多的特點;且層與層之間存在層間離子和H_2O分子,有利于電解液與催化電極充分接觸,進而加速催化反應(yīng)。因此,3d過渡金屬合金層狀雙氫氧化物正受到越來越多的關(guān)注。本論文工作主要圍繞3d過渡金屬LDHs的制備與性能的研究。我們采用一步尿素水熱分解法在泡沫Ni基底上生長二元3d過渡金屬合金NiCo、NiFe LDHs@泡沫Ni(Ni foam)以及三元3d過渡金屬合金NiFeCoLDHs@Nifoam的催化電極,作為同時催化產(chǎn)氫和產(chǎn)氧的雙功能催化劑。通過改變水熱反應(yīng)前驅(qū)體溶液中Ni/Co、Ni/Fe以及Ni/Fe/Co比例來調(diào)控樣品的成分,優(yōu)化電極的催化活性,發(fā)現(xiàn)三種比例Ni_(0.68)Co_(0.32)、Ni_(0.75)Fe_(0.25) 和 Ni_(0.49)Fe_(0.25)Co_(0.21) LDHs 較其他同類的 NiCo、NiFe 和 NiFeCo LDHs 電極的催化性能最優(yōu)異。掃描電子顯微鏡(SEM)測試分析顯示,不同原子比例(Ni/Co、Ni/Fe或Ni/Fe/Co)的前驅(qū)液反應(yīng)制得的樣品展現(xiàn)出多樣的微觀形貌結(jié)構(gòu)(納米片、納米纖維、納米線和納米棒結(jié)構(gòu)等),而形貌的差異也會隨之導(dǎo)致樣品的比表面積和導(dǎo)電性發(fā)生相應(yīng)的變化。采用三電極體系(其中,Pt片作為對電極,Ag/AgCl為參比電極,制備態(tài)LDHs樣品為工作電極),對電極的電化學(xué)性能進行了系統(tǒng)研究。發(fā)現(xiàn)當電流密度為10 mA·cm~(-2)時,Ni_(0.68)Co_(0.32)、Ni_(0.75)Fe_(0.25) 以及Ni_(0.49)Fe_(0.25)Co_(0.21) LDHs 的過電勢η10分別為 179mV(HER,析氫反應(yīng))和150mV(OER,析氧反應(yīng)),169mV(HER)和140mV(OER)以及200 mV(HER)和150mV(OER)。使用兩電極體系測試樣品產(chǎn)氫產(chǎn)氧量時,外加1.7V的直流恒定電壓,上述Ni_(0.68)Co_(0.32)、Ni_(0.75)Fe_(0.25)和Ni_(0.49)Fe_(0.2)5Co_(0.21) LDHs樣品產(chǎn)氫速率分別為 148umol·h~(-1)·cm~(-2)、170umol·h~(-1)·cm~2和 202umol·h~(-1).cm~(-2),產(chǎn)氫產(chǎn)氧的比例約為 2:1。X射線衍射分析(XRD)表明樣品主要以非晶結(jié)構(gòu)存在,結(jié)晶性能較差,通過高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)分析納米片中存在許多弱結(jié)晶性(γ-NiOOH相)的納米顆粒,顆粒之間通過非晶區(qū)域相互連接。進一步使用x射線光電子能譜(XPS)研究了合金成分對O1s、Ni2p和Fe2p峰強度和峰位的影響,發(fā)現(xiàn)γ-NiOOH相中Ni~(3+)是催化OER反應(yīng)的主要反應(yīng)活性位點,隨著Co~(2+)/Fe~(3+)對Ni離子的替位的增加,這些反應(yīng)活性位點先增加達到一個飽和值然后再降低。以上結(jié)果表明,3d過渡金屬合金具有優(yōu)異的催化析氫析氧性能。而我們通過調(diào)控成分比,可以對LDHs樣品的催化活性實現(xiàn)優(yōu)化提高,同時發(fā)現(xiàn)在制備過程中通過增大活性位點對提高活性具有重要的意義。催化活性強弱呈現(xiàn)NiFeCo LDHsNiFe LDHsNiCo LDHs的規(guī)律。
【關(guān)鍵詞】：電解水 析氫析氧反應(yīng) 層狀雙氫氧化物 反應(yīng)活性位點
【學(xué)位授予單位】：湖北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ116.14;TQ116.2;O643.36
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 主要符號表14-15
• 第1章 緒論15-25
• 1.1 研究背景15-17
• 1.2 電催化水裂解原理17-21
• 1.3 析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)催化劑的類型與研究現(xiàn)狀21-24
• 1.3.1 過渡金屬合金催化劑21-22
• 1.3.2 過渡金屬氧化物22
• 1.3.3 過渡金屬類水滑石結(jié)構(gòu)催化劑22-24
• 1.4 本論文的研究目的和意義24-25
• 第2章 LDHs催化劑的可控制備及表征25-29
• 2.1 LDHs樣品的可控制備25-27
• 2.1.1 實驗藥品與設(shè)備25-27
• 2.1.1.1 制備工藝25-27
• 2.2 電極表征27-29
• 2.2.1 電極表面形貌分析27-28
• 2.2.2 樣品的XRD測試28
• 2.2.3 電極元素成分分析28
• 2.2.4 電化學(xué)性能測試分析28
• 2.2.5 樣品的產(chǎn)氫量測試28-29
• 第3章 NiCo LDHs@Ni foam催化性能及機理研究29-35
• 3.1 形貌和結(jié)晶性分析29-30
• 3.2 元素組成及分子結(jié)構(gòu)30-32
• 3.3 催化性能測試32-33
• 本章小結(jié)33-35
• 第4章 NiFe LDHs@Ni foam催化性能及機理研究35-43
• 4.1 形貌及結(jié)晶性分析35-37
• 4.2 催化性能測試37-39
• 4.3 元素成分含量及分子結(jié)構(gòu)分析39-42
• 本章小結(jié)42-43
• 第5章 NiFeCo LDHs@Ni foam催化性能及機理研究43-49
• 5.1 形貌及結(jié)晶性分析43-44
• 5.2 電催化性能測試44-45
• 5.3 元素種類含量及分子結(jié)構(gòu)分析45-48
• 本章小結(jié)48-49
• 總結(jié)與展望49-51
• 參考文獻51-57
• 附錄57-58
• 致謝58

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