進入新世紀以來,電化學水分解技術因為可以生產具有高比熱容的可持續(xù)且清潔的氫燃料和氧氣而引起了科研人員廣泛的興趣。與電催化水裂解全過程中的析氫反應相比,電催化析氧由于它的反應發(fā)生包含四個電子的轉移過程從而會使反應在動力學上較為困難一些,需要很高的過電勢才能產生足夠的電流密度。因此,為了在較低的過電勢下加速析氧反應過程,目前商業(yè)常常使用一些貴金屬如RuO2/Ir O2等催化劑。然而,由于貴金屬昂貴的成本和地球上的稀缺性,它們的大規(guī)模應用受到了限制。為了克服上述問題,用非貴金屬催化劑材料取代成為必然的趨勢。在眾多非貴金屬催化劑中,過渡金屬磷酸鹽,由于其內在的電催化活性被廣泛運用于電化學水裂解領域。已經發(fā)現(xiàn)一些過渡金屬磷酸鹽催化劑表現(xiàn)出比貴金屬催化劑接近或更好的催化活性。然而,對于進一步提高其催化活性,循環(huán)穩(wěn)定性,耐久性以及大規(guī)模生產,前人還少有研究。本文通過簡單快速的水熱、球磨機球磨以及超聲的方法合成了一系列的鎳鐵磷酸鹽催化劑。運用控制變量的方法,調節(jié)催化劑的形貌、粒徑大小以及鎳鐵比例,以期達到最優(yōu)的催化電性能。論文的主要內容如下:1.以泡沫鎳（NF）為基底,泡沫鎳（NF）和Fe（NO

【文章來源】：安徽師范大學安徽省

【文章頁數(shù)】：92 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

二維非晶FePO4納米片在Ni泡沫上的合成與結構示意圖

5過電位勢為248mV，100mAcm-2的電流密度下過電勢需要323mV，同時具有非常小的tafel斜率45mVdec-1。超薄的一維結構暴露出更多非晶氫氧化鐵包覆后的活性位點，導致活性位點鎳表現(xiàn)出更強大的析氧性能，如圖1-2所示。圖1-2單壁磷酸鎳納米管TEM圖(a)STEM圖(b)，(a)中插圖為高倍放大圖像。(c)單壁磷酸鎳納米管的EDX譜圖（銅和碳信號來源于銅柵極基板）。(d)(b)圖中EDX掃描鎳，磷，鐵的分布，(e)STEM圖和EDX元素分布圖。Fig.1-2(a)TEMimageand(b)STEMimageofNiPOSWNTs,theinsetof(a)isthehigh-magnificationimage.(c)EDXspectrumofNiPOSWNTs(thesignalsofCuandcarbonarederivedfromthecoppergridsubstrate).(d)EDXlinearscanningofNi,P,andOalongthelineasindicatedin(b).(e).STEMimageandEDXelementalmapsofabundleofNiPOSWNTs.2.2水熱法水熱合成方法是指以水作為反應的溶劑，在封閉的體系中，施以較高的溫度和較高的壓力發(fā)生的反應，再處理反應產物的方法。Zeng課題組[16]，以氯化鈷為鈷源，磷酸氫二鈉為磷酸源，水熱條件下合成氫氧化鈷，再通過室溫下轉化為超薄磷酸氫鈷(CoHPi)納米片。基于不同反應階段的研究，發(fā)現(xiàn)α-Co(OH)2向超薄磷酸氫鈷納米片的轉化實際上涉及了預溶解和再沉淀的過程，其中的α-Co(OH)2既用于Co源，又用于磷酸氫鈷(CoHPi)納米片的模板。厚度為3nm的磷酸氫鈷(CoHPi)納米片包含磷酸一氫根陰離子，它被用于析氧反應(OER)中的質子耦合電子轉移過程中充當質子受體。由于其超薄的結構和陰離子中包含質子受體的優(yōu)點，磷酸氫鈷(CoHPi)納米片擁有出色的析氧反應(OER)催化性能，在10mAcm-2電流密度下的過電位僅為314mV，tafel斜率

6為31mVdec-1。相關合成步驟和TEM如圖1-3所示。圖1-3由六角形α-Co(OH)2血小板形成CoHPi納米薄片的示意圖。與該結構演變有關的樣品的TEM圖像：(a，b)六方α-Co(OH)2血小板前體，(c，d)反應2小時后獲得的樣品，(e，f)反應3小時后的樣品，(g，h)反應20小時后獲得的最終2D-CoHPi樣品。Fig.1-3SchematicillustrationoftheformationofCoHPinanoflakesfromthehexagonalα-Co(OH)2platelets.TEMimagesofsamplesrelatedtothisstructuralevolution:(a,b)hexagonalα-Co(OH)2plateletprecursor,(c,d)samplesobtainedafter2hofreaction,(e,f)after3hofreaction,and(g,h)final2D-CoHPisampleobtainedafter20hofreaction.Zhao課題組[17],報道了一種新型三維鐵摻雜磷酸鎳催化劑，該催化劑首先以泡沫鎳作為鎳源，水熱的方法合成鎳磷酸鹽前驅體，后運用電沉積的方法，以氫氧化鐵為溶液，摻雜入鐵。所合成的鐵摻雜磷酸鎳在濃度為1M的KOH溶液中在電流密度為10mAcm-2下的過電位需要220mV，500mAcm-2電流密度下的過電位為290mV，文中稱為迄今為止最好的鎳基析氧反應(OER)催化劑。此外，文中也探究了在電解液濃度為5M的氫氧化鉀溶液中，鐵摻雜磷酸鎳在達到1600mAcm-2下的所需要的過電位僅為332mV。并且穩(wěn)定性良好，意味著滿足工業(yè)堿性電解系統(tǒng)的需求。2.3微波法運用微波的快速加熱、均質的特點，加快反應發(fā)生。由于微波加熱制備法具有操作容易，對儀器要求易達到等優(yōu)點，是生產高性能納米材料的重要技術之一。此外，由于微波法需要的反應時間相對較少，可以擴大反應等顯著優(yōu)勢，逐漸在無機材料合成方面嶄露頭角[18-21]。

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3133704