在電催化水分解領(lǐng)域,混合金屬氧化物由于綜合性能優(yōu)異而受到廣泛關(guān)注。催化劑的微觀形貌對其電化學催化性能有重要的影響,通過對混合金屬氧化物微觀形貌的設計,有可能制備出低成本、高性能的水電解催化劑。本文以CoMoO_4及其與Co_3O_4的混合材料為研究對象,利用水熱反應制備出新型泡沫鎳基鈷鉬金屬氧化物涂層電極。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、能量色散X射線光譜儀(EDX)、X-射線衍射儀(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)、激光顯微拉曼(Raman)光譜等表征電極的表面形貌、元素組成及價態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)等。文中通過電化學工作站測試不同結(jié)構(gòu)形貌催化劑的電化學阻抗譜(EIS)、Tafel斜率、線性掃描極化曲線(LSV)、循環(huán)伏安曲線(CV)及電化學活性面積(ECSA)、電極I-t曲線等分析電極的電化學性能,并進行比較。本文探究了CoMoO_4的生長機理,并通過形貌設計對其水熱反應工藝條件進行了優(yōu)化,得到了一次水熱反應生成CoMoO_4納米片結(jié)構(gòu)催化層時,使用聚乙二醇-400作為水熱反應的前驅(qū)體溶劑,溶質(zhì)中Co、Mo摩爾比為1:1,反應溫度為200oC,水熱時間為20 h時制得電極的電催化析氫性能較好。首次將CoMoO_4和Co_3O_4的混合材料應用于雙功能水分解領(lǐng)域,通過二次水熱法制得CoMoO_4/Co_3O_4/NF電極,形成了覆蓋在CoMoO_4二維納米片上的由一維Co_3O_4納米線圍成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。該多等級納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應使該電極的催化性能得到顯著提高。該電極雙電層電容值為兩組對照組電極電容值之和的1.5倍以上,EIS圖譜得到的電荷轉(zhuǎn)移電阻值也僅為CoMoO_4納米片的20%。CoMoO_4/Co_3O_4/NF電極具有出色的電催化活性,其在堿性介質(zhì)中達到10 mA·cm~(-2)電流密度,析氫反應(HER)和析氧反應(OER)需要的過電位僅為143mV和244mV,遠優(yōu)于對照組的CoMoO_4納米片電極,Co_3O_4納米線電極及裸泡沫鎳電極,接近甚至超越商業(yè)貴金屬電極。此外,該雙功能水分解電極在10 mA·cm~(-2)條件下所需要的電壓僅為1.61V,并在超過30 h的電解時間內(nèi)保持較好的穩(wěn)定性。本文研究表明,CoMoO_4納米片電極和CoMoO_4/Co_3O_4/NF電極在電催化水分解領(lǐng)域具有良好的應用前景。
【學位單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;TQ116.2
【部分圖文】：

進行考慮；另一方面也是最為重要的是尋找到一種電催化性能優(yōu)異、價格低廉的催化材料，通過材料本身的固有特性和結(jié)構(gòu)特點直接降低電解電勢。圖1-1 電解水原理示意圖Fig. 1-1 The schematic diagram of the electrolysis of water長期以來，人們一直認為貴金屬催化劑具有幾乎最好的催化性能，也將其作為衡量材料催化活性的標準。鉑基催化劑在析氫反應過程中，二氧化銥、二氧化銣等貴金屬氧化物在析氧反應過程中都具有非常優(yōu)異的催化性能。但這些貴金屬或貴金屬氧化物都面臨著地球上儲量較少，價格非常昂貴，無法大規(guī)模應用于工業(yè)化生產(chǎn)的問題。因此，科學家們也在不斷的尋找可替代的非貴金屬催化劑作為電解水過程的催化材料。1.2.1 電催化析氫反應（HER）研究現(xiàn)狀析氫反應（HER）的研究由來已久，也是與現(xiàn)實利益密切相關(guān)的研究熱點。在過去十數(shù)年間，由于可再生能源需求的增加和燃料電池工業(yè)化規(guī)模的使用，電

圖1-2 OER反應機理[20]Fig. 1-2 The OER mechanism[20]應是水分解的半反應之一，是發(fā)生在陽極的四電子反應過程不同的環(huán)境中陰、陽兩極的反應也是不同的。在酸性條件下（H+得到電子生成氫氣，而陽極的水分子失去電子變成O2和H如紅線所示），陰極H2O分子得到電子生成H2和OH-，陽極的和H2O。同時，關(guān)于在酸性和堿性條件的OER反應機理，主要：一是兩個MO分子結(jié)合，形成了O2和M（如綠線所示）；另一產(chǎn)物的形成，先生成MOOH，再形成M和O2（如黑線所示）。比較OER催化劑的性能，McCrory等人[21]提出了一個評價OE標準，其中建議測量的部分包括元素組成、表面積、法拉第效定性等。同時，電解質(zhì)環(huán)境也最好固定為酸性條件為1 M H2M NaOH，并建議在室溫，1標準大氣壓的外部條件下測量單位A·cm-2電流密度下的過電位，此值大約等同于光解水效率預期

本文所采用的實驗裝置有水熱反應系統(tǒng)和電化學性能測試系統(tǒng)等。2.2.1 水熱反應系統(tǒng)本實驗所采用的水熱反應系統(tǒng)如圖2-1所示，以聚四氟乙烯為內(nèi)襯，不銹鋼反應器作為外部裝置，將所要制備的電極和前驅(qū)體溶液置于內(nèi)襯中，密封好。置于恒溫干燥箱中以一定溫度加熱一定時間即可。在這個過程中，水熱反應釜內(nèi)部會形成高溫、高壓的條件，模擬自然條件下礦物質(zhì)中晶核形成的過程，可以實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)和形貌的調(diào)控，從而合成性能優(yōu)異的納米材料。
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本文編號：2877208