【摘要】：隨著工業(yè)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的三大化石燃料:煤、石油、天然氣遭遇過度開發(fā)利用,不僅引起了嚴(yán)重的環(huán)境問題,同時還威脅著國家能源安全,近年來,全世界各個國家都致力于新能源的開發(fā)工作,在新能源中,太陽能和風(fēng)能的儲存量大,但由于受地域和季節(jié)分布的限制,無法進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。因此研究者們將重心越來越多的集中在發(fā)展新能源轉(zhuǎn)換技術(shù)上,例如金屬(Li或Zn)電池,聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)和電解水。其中電解水是一種高效可靠的技術(shù),所轉(zhuǎn)化的氫能具有能量密度高且燃燒的過程中對環(huán)境零污染的特點。電解水過程中的析氧反應(yīng)(OER)動力學(xué)過程緩慢,制氫速率低,不能滿足實際需求。研發(fā)OER電催化劑能夠解決上述存在的問題,因此具有非常重要的意義。目前工業(yè)化的OER催化劑依賴于貴金屬Ru、Ir及其氧化物,存在儲量小,價格高昂的弊端,為了降低成本,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,貴金屬催化劑必須被價格低廉、性能優(yōu)良、且環(huán)境友好的非貴金屬催化劑取代,本論文以尖晶石納米催化劑在OER反應(yīng)中的應(yīng)用為出發(fā)點,制備了兩種基于不同碳載體的尖晶石復(fù)合材料,研究所合成催化劑對OER反應(yīng)的催化效果,為尖晶石納米催化劑在工業(yè)中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。主要的研究內(nèi)容如下:1.嵌有FeCo_2O_4納米粒子的Schiff-Base衍生碳材料復(fù)合催化劑的制備及其對陽極析氧催化性能的研究將尖晶石負(fù)載在具有大比表面積的含N碳材料上可制備出性能優(yōu)良的電催化劑,選擇制備過程簡單的Schiff-Base化合物聚三聚氰胺對苯二甲醛化合物(SNW)作為碳前驅(qū)體,通過高溫碳化得到富氮多孔碳材料(NPC-450℃),用水熱法一步合成了催化劑FeCo_2O_4@NPC-450℃,電化學(xué)測試結(jié)果表明,催化劑FeCo_2O_4@NPC-450℃在電流密度達(dá)到10 mA cm~(-2)時,過電位僅為330mV,Tafel斜率為50 mV dec~(-1),表現(xiàn)出良好的OER催化性能。通過穩(wěn)定性測試,FeCo_2O_4@NPC-450℃在堿性溶液中能保持催化活性25小時以上。研究結(jié)果表明,含N碳材料作為載體,不僅有利于提高催化劑的導(dǎo)電性,還可以起到分散催化劑活性中心的作用,抑制活性中心的聚合,提高穩(wěn)定性,另外,FeCo_2O_4和NPC-450℃之間的協(xié)同作用,能進(jìn)一步提高催化劑的催化效果。FeCo_2O_4@NPC-450℃對OER反應(yīng)的良好催化性能為非貴金屬催化劑代替貴金屬催化劑提供了可能性。2.雙金屬有機骨架衍生的Zn Co_2O_4納米粒子嵌入多壁碳納米管:用于析氧反應(yīng)的高效電催化劑具有3D可設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的金屬-有機骨架(MOF)是通過有機配體和金屬離子配位組裝而成,具有形貌規(guī)則統(tǒng)一、大小可控、比表面積高等優(yōu)點,基于以上所述,本部分工作以沸石咪唑酯骨架(ZIF-67和ZIF-8)作為MOF材料,嵌入多壁碳納米管(MWCNT)中,生成雙金屬MOF材料ZIF-67/ZIF-8-MWCNT,后通過兩步熱處理法制備出嵌有Zn Co_2O_4納米粒子的氮摻雜碳納米管電催化劑。對MOF衍生材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)特性進(jìn)行研究,結(jié)果如下:(1)在碳化的過程中,Zn~(2+)和Co~(2+)離子生成為均勻分布的ZnCo_2O_4納米粒子,2-甲基咪唑形成N摻雜的介孔碳,原位包裹ZnCo_2O_4納米粒子;(2)MOF衍生材料基本保持了MOF材料的形貌和孔結(jié)構(gòu);(3)MWCNT的含量對催化劑性能影響大,和N摻雜的介孔碳一起為電子轉(zhuǎn)移提供路徑,以提高催化性能;(4)電化學(xué)測試表明,ZnCo_2O_4@C-MWCNTs的起始電位為1.45 V,當(dāng)電流密度達(dá)到10 mA cm~(-2)時,超電勢僅為327 mV,OER催化性能良好;(5)堿性溶液中ZnCo_2O_4@C-MWCNTs在不同電流密度下的電位在25小時內(nèi)基本保持不變,催化劑具有良好的穩(wěn)定性。本工作表明,與共沉淀煅燒法制備的尖晶石ZnCo_2O_4-MWCNTs催化劑相比,MOF衍生催化劑催化效果更好。這種雙金屬MOF嵌入MWCNT的自組裝設(shè)計理念可以應(yīng)用在制備其他新型催化劑中。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TQ116.21

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本文編號：2694350