【摘要】：隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展,對能源的巨大需求已經(jīng)成為影響人類生活的最重要的問題之一。全球能源需求預計將從2010年的17 TW上升到2040年的27 TW。煤、石油和天然氣等化石燃料在提供能源方面發(fā)揮了重要作用。但是人們對排放出的CO_2污染的擔憂日益加劇。氫氣作為一種清潔能源載體,能量密度高,并且無污染。電解水被認為是有潛力的儲存氫氣的方法。水裂解反應一般分為析氧反應(OER)和析氫反應(HER),這兩個反應對水裂解的整體效率都至關重要。HER是一種相對簡單的反應,涉及兩個電子的轉(zhuǎn)移。相比之下,OER本質(zhì)上更為復雜,氧演化動力學緩慢,因為它涉及到一個四電子轉(zhuǎn)移過程。到目前為止,最有效的催化劑是銥和釕氧化物,具有高電流密度和低過電位。然而,高價格和低豐度限制了他們的商業(yè)應用。因此廣泛研究致力于開發(fā)高活性、耐用和低成本的非貴金屬催化劑。本文采用電噴霧沉積法,通過調(diào)節(jié)襯底溫度、薄膜厚度和電壓等,探究了實驗條件對形貌和催化性能的影響,設計開發(fā)了優(yōu)異性能的電催化材料。通過電噴霧沉積法在導電襯底FTO上制備尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物NiCo_2O_4,在傳統(tǒng)的電極工藝中,為了避免電化學活性物質(zhì)的損失,通常使用膠粘劑。但是導電劑和聚合物粘結(jié)劑會阻礙電極和電解質(zhì)界面的電子傳遞,降低電化學活性和穩(wěn)定性。因此,我們使用電噴霧技術直接在FTO上制備納米結(jié)構(gòu)NiCo_2O_4薄膜,本文主要討論了襯底溫度、薄膜厚度和電壓對薄膜形貌和催化性能的影響。納米多孔結(jié)構(gòu)NiCo_2O_4樣品具有較高的電流密度和良好的穩(wěn)定性。本文采用水熱法在FTO襯底上制備金紅石相二氧化鈦,通過電噴霧沉積法在二氧化鈦納米線上沉積貴金屬納米粒子。一維TiO_2納米線具有較大的比表面積,為電子遷移提供直接的電子傳輸通道。無需還原劑和表面活性劑,就可合成大小和沉積量可控的納米粒子。在1.23 V vsRHE,Pd/TiO_2光陽極的最大光電流密度為1.4 mA cm~(-2),比原始TiO_2高了大約5倍。并且起始電位向陰極位移80 mV。通過改變前驅(qū)體的襯底溫度,電壓和薄膜厚度,精確控制了不同尺寸的Pd/TiO_2復合結(jié)構(gòu)薄膜和沉積產(chǎn)率。結(jié)果表明,PEC性能的增強可以歸因于肖特基結(jié)以及二氧化鈦和鈀之間光生電子和空穴分離的增強。另外Pd納米粒子和TiO_2的協(xié)同作用,也進一步提升了光電催化效果。由于金屬納米結(jié)構(gòu)獨特的SPR效應,這大大增加了TiO_2向可見光甚至近紅外光區(qū)域的光吸收,激發(fā)了高活性等離子體誘導的熱載流子。研究了金納米粒子修飾二氧化鈦的光活性電極用于光化學水氧化性能研究。與純TiO_2相比,Au/TiO_2電極將光響應范圍拓展到了可見光區(qū)域,同時光電催化活性明顯增強。通過調(diào)節(jié)沉積量等參數(shù),催化性能得到進一步優(yōu)化。本文通過采用電噴霧技術分別制備NiCo_2O_4、Pd/TiO_2和Au/TiO_2納微結(jié)構(gòu)薄膜,為電催化劑的制備提供了新的思路,同時在染料敏化、鈣鈦礦太陽能電池、超級電容器、鋰空氣電池等應用具有廣闊的前景。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ426;TQ116.2
【圖文】：

的反應更加復雜，動力更加不利[15]。.3 全分解水反應全分解水反應是指同時發(fā)生析氫和析氧的反應。一般來說，電化學測試極系統(tǒng)中進行的，用于評估水分解反應的半反應活性（即 HER 和 OE極測試系統(tǒng)包括工作電極（HER 為陰極或 OER 為陽極），參考電極和（對電極）。然而，在實際應用中僅組裝陰極和陽極以形成一個集成電電極系統(tǒng)，其中 HER 和 OER 可分別由陰極和陽極催化。為了實現(xiàn)全分施加足夠的電壓來克服陰極和陽極的過電位。一些獨特的電催化劑能夠化 HER 和 OER，它們被定義為雙功能電催化劑。這種類型的催化劑可極和陽極，用于整體水分解系統(tǒng)。因此，選擇合適的雙功能電催化劑用來大規(guī)模氫燃料生產(chǎn)是非常有希望的。

圖 1.2 尖晶石的結(jié)構(gòu)、合成、策略和應用在堿性溶液中尖晶石型氧化物的 OER 反應機理如下：催化劑面優(yōu)先吸附 OH-陰離子，并且釋放一個電子，形成被吸附的 OH-吸附的 OH-反應產(chǎn)生 H2O 和吸附的 O*并且釋放一個電子。OH-的 O*原子發(fā)生反應，形成被吸附的 OOH 物質(zhì)。此外，進一步離子反應生成吸附的 O2和 H2O，在最后一步釋放氧。具體公式M + OH-→ M -OH +e （14）M -OH + OH-→ M O* + e-+ H2O （15）M O* + OH-→ M OOH +e （16）M OOH + OH-→M O2+e + H2O（17）M O2→ M +O2（18）在 OER 可用的各種有希望的電催化劑中，廉價尖晶石催化劑控其結(jié)構(gòu)、組成、相、價態(tài)、形貌和缺陷等，因此具有與貴金屬

圖 1.4 (a) H2O 吸附在 NiCo2O4尖晶石結(jié)構(gòu)上的示意圖和氧空位帶有電荷圖。(b)不同尖晶石氧化物的極化曲線和(c)相應的 Tafel 圖為了提高 NiCo2O4的 OER 性能，制備了具有微/納米結(jié)構(gòu)的鎳基尖晶石。到目前為止，成功地制備了一維納米針[39]或納米線[35]，二維納米片[40]，三維核殼結(jié)構(gòu)[41]介孔，大孔隙結(jié)構(gòu)[42]用于 OER 電催化。納微結(jié)構(gòu)有利于氣泡的破裂，因為有序的開放空間結(jié)構(gòu)使得形成的氣泡附著力更小，歐姆損失減小。不同尺度的形貌表現(xiàn)出不同的電子通道和活性位點。Lin 等通過熱驅(qū)動轉(zhuǎn)換過程制備了分層空心 NiCo2O4立方體。由于具有獨特的三維分層中空結(jié)構(gòu)，具有較大的活性表面積和光滑的通道，顯著促進了水的氧化[43]。1D 納米線陣列由于其大的電化學活性表面積和電子特性引起了極大的興趣。Yang 等開發(fā)了一種無模板共沉淀途徑，用于制造有序的 NiCo2O4尖晶石納米線陣列[32]。然而，上述方法通常需要高反應溫度并且也很復雜。為了有效地降低反應溫度，濕化學方法有希望合成納米晶材料。

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本文編號：2754288