本文關(guān)鍵詞：過渡金屬類水滑石材料的調(diào)控合成及在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用研究

  更多相關(guān)文章： 水滑石 能源 氧氣析出反應(yīng) 氧氣還原反應(yīng)

【摘要】：隨著傳統(tǒng)化石能源,例如石油、天然氣等的不斷消耗,能源和資源問題成為制約社會發(fā)展的重大問題。清潔、可再生資源生產(chǎn)以及開發(fā)高能有效的能量儲存與轉(zhuǎn)換設(shè)備成為人們研究的一大熱點,其中,氧氣析出反應(yīng)(OER)與氧氣還原反應(yīng)(ORR)發(fā)揮著核心作用。在眾多OER或ORR催化劑中,過渡金屬(鎳、鈷、鐵、錳)水滑石類材料,具有較高的本征OER和ORR活性,且層板中的金屬元素種類、組成、價態(tài)可調(diào)變便于設(shè)計合成,此外,相對貴金屬類催化劑來說,其合成方法簡便、價格低廉。但是水滑石類材料作為電催化劑也存在著一些問題,例如自身導(dǎo)電性不高,且目前研究多集中在二元材料設(shè)計上,催化種類較為單一,關(guān)于三元高價態(tài)過渡金屬摻雜類水滑石的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及可能引起的催化活性改變鮮有研究。針對以上問題,本文將從以下幾方面展開研究。1、利用水滑石層板中金屬離子種類、組成可調(diào)變的優(yōu)點,將鎳、鈷、鐵三種離子通過共沉淀的方法同時引入水滑石層板中,使其兼具OER和ORR兩種活性位點。并嘗試通過雙氧水預(yù)氧化的方法來氧化二價鈷離子為三價鈷離子,以進一步提高催化劑自身導(dǎo)電性。測試結(jié)果表明,在0.1 M的KOH電解液中,NiFeCo-LDH已經(jīng)展現(xiàn)出一定的OER/ORR雙功能催化活性,而經(jīng)過預(yù)氧化后,O-NiCoFe-LDH的OER和ORR催化性能有了大幅度提升。將經(jīng)過預(yù)氧化后的O-NiCoFe-LDH催化劑滴涂在經(jīng)過Teflon處理的碳紙上制備成氧氣電極,進一步進行實用性研究,結(jié)果表明,在6 M的KOH電解液中,O-NiCoFe-LDH具有很小的AE(一定電流密度下OER以及ORR過電位之差,用于評價雙功能催化活性),例如在電流密度為20 mA cm-時,AE僅有800 mV,甚至超過了貴金屬催化劑。此外,該催化劑也展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性,在6 mol L-的電解液中,給定一定電壓下,起始電流密度為20 mA cm-2時,ORR活性可以保持40 h且?guī)缀鯖]有活性損失,OER活性也可以保持15 h略有損失,而在起始電流密度提升為100 mA cm-2時,OER活性仍能保持10h的高穩(wěn)定性。因此,該催化劑在可充放電式鋅-空氣電池中具有很大的應(yīng)用潛力。2、利用一鍋法把錳元素引入NiFe-LDH水滑石層板中,并在合成過程中采用氧氣氧化錳元素,層板中的Mn4+很好的調(diào)節(jié)了催化劑的電子結(jié)構(gòu)并提高其導(dǎo)電性,因而具有相對于二元水滑石來說更優(yōu)異的OER催化活性。測試結(jié)果表明,在1 M的KOH電解液中,在電流密度達(dá)到20 mA cm-2時,該三元水滑石材料的過電位僅為289 mV,大大超越了二元NiFe-LDH、NiMn-LDH以及商業(yè)貴金屬催化劑Ir/C,同時具有更小的Tafel斜率,僅為47mVdec-1。此外,該催化劑也展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性,在給定相應(yīng)過電位的情況下,可以保持電流密度為20 mA cm-2達(dá)到15小時,而在給定電流密度為10 mA cm-2時,也可以保持15小時的穩(wěn)定工作電壓(1.54 V)。因此,該摻雜三元水滑石材料在未來新型電解水催化劑以及金屬-空氣電池等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。3、將二元或者三元過渡金屬水滑石(NiFe-LDH和NiCoFe-LDH)的合成進一步拓展到非水相體系中,利用乙醇溶劑熱法合成具有脫水結(jié)構(gòu)的水滑石材料。該脫水水滑石結(jié)構(gòu)經(jīng)由X-射線衍射儀以及隨后的再水合過程確認(rèn),水滑石的層間距僅有0.71 nm,再水合后可以重新膨脹為0.79 nm。該方案同樣適用于制備其他在水相體系中利用單純尿素水熱法難以合成的Fe系過渡金屬水滑石納米陣列。憑借NiFe基水滑石的本征催化活性以及特殊形貌的優(yōu)勢,該水滑石納米陣列也展現(xiàn)出優(yōu)異的氧氣還原催化性能,E-NiCoFe-LDH納米陣列的起峰電壓約為1.46 V,在電流密度為30 mA cm-2時的過電位僅為295 mV。此外,該陣列材料也展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性,在電流密度分別為50 mAcm-2和200 mA cm-2時,可以保持約20 h而幾乎沒有電流損失。本工作不僅開啟了一種新型的合成水滑石材料的體系,也為NiFe基氧氣電催化劑的設(shè)計合成提供了新的思路。
【關(guān)鍵詞】：水滑石 能源 氧氣析出反應(yīng) 氧氣還原反應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 緒論15-33
• 1.1 課題研究背景15
• 1.2 氧氣電催化反應(yīng)15-25
• 1.2.1 氧氣還原反應(yīng)及其研究進展15-20
• 1.2.2 氧氣析出反應(yīng)及其研究進展20-24
• 1.2.3 雙功能催化劑研究進展24-25
• 1.3 水滑石材料在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用25-31
• 1.3.1 超級電容器26-27
• 1.3.2 鋰離子電池27-28
• 1.3.3 電催化28-31
• 1.4 論文的選題及研究思路31-33
• 第二章 N i CoFe水滑石材料用于雙功能氧氣電催化研究33-47
• 2.1 引言33
• 2.2 實驗藥品與設(shè)備33-34
• 2.2.1 實驗藥品33
• 2.2.2 實驗設(shè)備33-34
• 2.3 實驗部分34-36
• 2.3.1 三元過渡金屬水滑石合成34
• 2.3.2 樣品結(jié)構(gòu)表征34-35
• 2.3.3 電化學(xué)表征35-36
• 2.3.4 電化學(xué)性能計算公式36
• 2.4 結(jié)果與討論36-45
• 2.4.1 材料結(jié)構(gòu)表征結(jié)果分析36-38
• 2.4.2 材料電催化活性結(jié)果分析38-45
• 2.5 本章小結(jié)45-47
• 第三章 錳摻雜三元水滑石材料用于氧氣析出反應(yīng)性能研究47-61
• 3.1 引言47
• 3.2 實驗藥品與設(shè)備47-48
• 3.2.1 實驗藥品47
• 3.2.2 實驗儀器47-48
• 3.3 實驗部分48-51
• 3.3.1 二元及三元水滑石合成48
• 3.3.2 樣品結(jié)構(gòu)表征48-50
• 3.3.3 電化學(xué)表征50
• 3.3.4 電化學(xué)性能計算公式50-51
• 3.4 結(jié)果與討論51-60
• 3.4.1 材料結(jié)構(gòu)表征結(jié)果分析51-54
• 3.4.2 材料電催化活性結(jié)果分析54-60
• 3.5 本章小結(jié)60-61
• 第四章 溶劑熱法合成脫水水滑石及氧氣析出反應(yīng)研究61-77
• 4.1 引言61
• 4.2 實驗藥品與裝置61-62
• 4.2.1 實驗藥品61-62
• 4.2.2 實驗儀器62
• 4.3 實驗部分62-64
• 4.3.1 脫水水滑石合成62-63
• 4.3.2 樣品表征63-64
• 4.3.3 電化學(xué)表征64
• 4.3.4 DFT計算64
• 4.4 結(jié)果與討論64-75
• 4.4.1 材料結(jié)構(gòu)表征結(jié)果分析64-73
• 4.4.2 材料電化學(xué)活性結(jié)果分析73-75
• 4.5 本章小結(jié)75-77
• 第五章 結(jié)論77-79
• 參考文獻(xiàn)79-87
• 致謝87-89
• 研究成果和發(fā)表的學(xué)術(shù)論文89-91
• 作者和導(dǎo)師簡介91-92
• 附件92-93

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 席歡,何靜,EvansD.G,段雪;層板剝離水滑石的制備及影響因素[J];無機化學(xué)學(xué)報;2004年10期

2 景曉燕,鄭崇輝,王慧穎,王君,張密林;水滑石類化合物的研究現(xiàn)狀及進展[J];應(yīng)用科技;2004年10期

3 姚銘,申震,杜莉珍,王凱雄;水滑石類材料在水污染治理中的應(yīng)用研究[J];環(huán)境科學(xué)動態(tài);2004年04期

4 張國強;楊樂夫;方榮謙;郭德波;蔡俊修;;不同制備方法對水滑石性質(zhì)的影響[J];廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2006年05期

5 黃中子;張文啟;劉勇弟;唐博合金;朱勇杰;;水滑石對水中磷的吸附特征及影響因素研究[J];水處理技術(shù);2010年08期

6 趙寧;廖立兵;;水滑石類化合物及其制備、應(yīng)用的研究進展[J];材料導(dǎo)報;2011年S1期

7 魏曉毳;;水滑石類化合物的應(yīng)用研究[J];化學(xué)工程與裝備;2011年11期

8 薛紅丹;柏永清;王甫麗;劉樸;王克;;水滑石類化合物的結(jié)構(gòu)及其制備方法[J];河北建筑工程學(xué)院學(xué)報;2012年04期

9 周良芹;付大友;袁東;;水滑石類化合物的研究進展[J];四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版);2013年05期

10 宋玉林;;精細(xì)化工新材料——水滑石[J];沈陽化工;1993年02期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 譚琦;劉新海;李一波;劉玉林;;水滑石類化合物的應(yīng)用研究進展[A];2014年中國非金屬礦科技與市場交流大會論文集[C];2014年

2 張文會;何靜;錢振義;段雪;;鎳鈦水滑石的制備和表征[A];第一屆全國化學(xué)工程與生物化工年會論文摘要集(下)[C];2004年

3 張慧;鄒亢;郭少環(huán);段雪;;大粒徑磁性水滑石的結(jié)構(gòu)、形貌及性能研究[A];中國化學(xué)會第二十五屆學(xué)術(shù)年會論文摘要集（上冊）[C];2006年

4 舒心;張文會;高繁星;何靜;;鎳鈦水滑石的合成及表征[A];中國化學(xué)會第二十五屆學(xué)術(shù)年會論文摘要集（下冊）[C];2006年

5 倪哲明;姚萍;胥倩;王巧巧;;鈣鋁水滑石的主客體作用力[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第14分會場摘要集[C];2010年

6 孫智勇;靳蘭;衛(wèi)敏;段雪;;染料小分子插層水滑石的制備及可控性熒光研究[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第12分會場摘要集[C];2010年

7 蘇繼新;王仲鵬;聶玉倫;牟真;蔣政;郝鄭平;;鑭摻雜水滑石材料的熱分解過程研究[A];第十一屆全國稀土催化學(xué)術(shù)會議論文集[C];2004年

8 陶玉妃;楊菁;朱建華;;水滑石改性二氧化硅:苯酚吸附新材料[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第01分會場摘要集[C];2010年

9 吳曉妮;;水滑石類化合物在催化領(lǐng)域中的應(yīng)用[A];第七屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會論文集[C];2010年

10 陸軍;閆東鵬;段雪;;水滑石客體層間排布的理論研究[A];中國化學(xué)會第26屆學(xué)術(shù)年會理論化學(xué)方法和應(yīng)用分會場論文集[C];2008年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 記者 李麗云 通訊員 唐曉偉;藥物效力“導(dǎo)航儀”說了算[N];科技日報;2013年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李長明;水滑石拓?fù)滢D(zhuǎn)變與雙金屬催化材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控及性能強化[D];北京化工大學(xué);2014年

2 滕旭;基于水滑石納米材料增敏的過氧亞硝酸體系化學(xué)發(fā)光行為研究[D];北京化工大學(xué);2015年

3 張曉菲;氨基酸的催化機理和水滑石限域作用的理論研究[D];北京化工大學(xué);2016年

4 關(guān)山月;水滑石插層材料在生物成像和癌癥治療領(lǐng)域的研究[D];北京化工大學(xué);2016年

5 趙曉非;水滑石向復(fù)合金屬氧化物的轉(zhuǎn)晶機制及相關(guān)產(chǎn)物性能研究[D];北京化工大學(xué);2011年

6 譚琦;納米水滑石的機械力化學(xué)/晶化法合成及其應(yīng)用研究[D];東北大學(xué);2012年

7 楊淼森;中空水滑石納米結(jié)構(gòu)的制備與性能研究[D];北京化工大學(xué);2012年

8 杜隆超;聚合物/水滑石類層狀雙氫氧化物復(fù)合材料的制備和結(jié)構(gòu)性能研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

9 薛繼龍;水滑石材料處理染料廢水的研究[D];浙江工業(yè)大學(xué);2014年

10 劉芳;水滑石納米材料催化化學(xué)發(fā)光及其分析應(yīng)用[D];北京化工大學(xué);2014年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 滕春娟;鎳鈷鋁三元水滑石的制備及其電化學(xué)性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

2 熊亮;水性聚氨酯/水滑石復(fù)合材料的制備與性能研究[D];華南理工大學(xué);2015年

3 李旭;水滑石類層狀化合物的制備、微分析及應(yīng)用研究[D];河北大學(xué);2015年

4 薛曉宇;復(fù)合型插層水滑石熱穩(wěn)定劑制備及穩(wěn)定PVC熱機理研究[D];上海工程技術(shù)大學(xué);2015年

5 王彥彥;Pt納米晶/水滑石催化劑制備及其對α,β-不飽和醛加氫性能研究[D];鄭州大學(xué);2015年

6 張笑宇;銅基水滑石催化劑的制備及其苯酚羥基化性能研究[D];北京化工大學(xué);2015年

7 童哲源;層狀復(fù)合金屬氫氧化物在中性介質(zhì)中電催化氧析出性能研究[D];北京化工大學(xué);2015年

8 李忠澤;高比表面積水滑石材料的宏量制備及吸附性能研究[D];北京化工大學(xué);2015年

9 榮婉琪;水滑石及其插層材料對Co(Ⅱ)高選擇性傳感的研究及其應(yīng)用[D];北京化工大學(xué);2015年

10 張曼琳;水滑石—碳量子點復(fù)合物的吸附及催化性能研究[D];北京化工大學(xué);2015年

，

本文編號：765800