本文關(guān)鍵詞： 水氧化 多孔氧化物 前驅(qū)體 尖晶石　出處：《蘭州大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：目前,由于能源消耗的增加和使用化石燃料帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題需要我們開(kāi)發(fā)新的能源。水分解產(chǎn)生的氫氣是清潔的可再生能源,其燃燒的產(chǎn)物僅僅是水。水分解的半反應(yīng)之一的水氧化反應(yīng)在動(dòng)力學(xué)上非常緩慢,且涉及非常復(fù)雜的四質(zhì)子和四電子過(guò)程,因此至今為止水氧化仍然是水分解反應(yīng)的瓶頸。早期很多研究都集中于開(kāi)發(fā)銥和釕氧化物用于水氧化反應(yīng),但貴金屬的稀缺性和高成本限制了它們大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異性能和低成本的新型廉價(jià)催化劑是至關(guān)重要的。本文主要探索了含Co、Ni、Fe、Mn的多孔雙金屬氧化物作為高效的水氧化催化劑的性能。主要內(nèi)容為以下幾個(gè)方面:1.我們通過(guò)簡(jiǎn)單的自組裝和煅燒的方法合成了介孔Mn_(1.8)Fe_(1.2)O_4納米立方體。通過(guò)改變煅燒溫度,我們調(diào)查了不同煅燒溫度下介孔Mn_(1.8)Fe_(1.2)O_4納米立方體的結(jié)構(gòu)和催化性能。介孔Mn_(1.8)Fe_(1.2)O_4在光化學(xué)和鈰(IV)驅(qū)動(dòng)的水氧化體系中都呈現(xiàn)出高效的水氧化催化性能。在中性條件下,與沒(méi)有孔的MnFe_2O_4,Fe_3O_4,和Mn_3O_4相比,介孔Mn_(1.8)Fe_(1.2)O_4納米立方體催化劑在光催化水氧化反應(yīng)中呈現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)化頻率(TOF),為4.6×10-4s~(-1)(基于每個(gè)金屬原子)。在鈰(IV)驅(qū)動(dòng)的條件下,催化劑的TOF達(dá)到1.8×10-3s~(-1),這個(gè)值比無(wú)孔MnFe_2O_4的活性至少高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。多個(gè)實(shí)驗(yàn)(例如,XRD,FT-IR,SEM,TEM和XPS)證實(shí)了介孔Mn_(1.8)Fe_(1.2)O_4材料在水氧化過(guò)程中是非常穩(wěn)定的。我們的結(jié)果提供了一種便宜的方法合成廉價(jià)和高活性非均相催化劑用于水氧化反應(yīng)。2.鐵基催化劑讓研究者特別感興趣由于其儲(chǔ)量高,毒性低,和豐富的氧化還原性能。在本文中,我們報(bào)道低成本多孔的源于普魯士藍(lán)類似物(PBA)Mx[Fe(CN)_6]_y(M=Fe,Co,Ni)的鐵基氧化物,這個(gè)合成方法涉及簡(jiǎn)單的自組裝技術(shù)和低溫煅燒過(guò)程。我們將這些催化劑用于研究光催化,鈰(IV)驅(qū)動(dòng)和電化學(xué)水氧化,并且它們表現(xiàn)出優(yōu)異的活性。值得關(guān)注的是,這種光催化水氧化反應(yīng)在類似于自然光系統(tǒng)II的中性條件下進(jìn)行。在中性光催化水氧化條件下,作為催化劑時(shí)獲得較高的TOF,為5.4×10-4s~(-1)。在鈰(IV)驅(qū)動(dòng)水氧化條件下,多孔Co_xFe_(3-x)O_4的TOF為5.2×10-4s~(-1),這是所有文獻(xiàn)中報(bào)道的鐵基氧化物中的最高值。在電化學(xué)水氧化中,多孔NixFe3-xO4催化劑在10 mA cm-2下顯示出402 mV的低的過(guò)電勢(shì)。另一方面,由于鐵氧化物具有高的鐵磁性和優(yōu)異的穩(wěn)定性,使得它們被重復(fù)使用而沒(méi)有損失活性。3.多孔材料由于其高的比表面積和豐富的活性位點(diǎn)而非常有利于催化過(guò)程的進(jìn)行。在本文中,我們報(bào)道了通過(guò)簡(jiǎn)單的煅燒層狀雙氫氧化物前體的方法,來(lái)合成多孔NiMn氧化物納米片。多孔Ni0.75Mn0.25氧化物納米片對(duì)于電催化氧氣產(chǎn)生反應(yīng)(OER)是高效的,在η=400mV具有高的TOF值0.08 s~(-1)和低的過(guò)電勢(shì)358 mV。通過(guò)X射線吸收譜(XAS)分析,我們發(fā)現(xiàn)由于Ni0.75Mn0.25氧化物中較長(zhǎng)的Mn-O-Mn鍵有助于表面的結(jié)構(gòu)靈活性,使得催化劑具有高的催化活性。我們的工作提出了一種簡(jiǎn)單的摻雜方法來(lái)制備多孔納米片,并通過(guò)摻雜其他過(guò)渡元素進(jìn)一步提高其催化性能。
[Abstract]:In this paper , we investigated the structure and catalytic properties of mesoporous Mn _ ( 1.8 ) Fe _ ( 1.2 ) O _ 4 nanocubes in photocatalytic water oxidation . Through X - ray absorption spectroscopy ( XAS ) analysis , we find that the long Mn - O - Mn bond in the Ni0.75Mn0 . 25 oxide contributes to the structural flexibility of the surface , so that the catalyst has high catalytic activity . The work of our work provides a simple doping method to prepare porous nanosheets and further improve their catalytic performance by doping other transition elements .

【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O643.36;TQ116.2

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本文編號(hào)：1471845