【摘要】：在解決可持續(xù)發(fā)展能源問題上,電化學(xué)將起到一個很重要的作用,尤其是在原電池中將化學(xué)能儲存并轉(zhuǎn)化為電能,以及電解池中將電能儲存并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。在電解水過程中,由于陽極析氧(OER)的反應(yīng)動力學(xué)過程慢,限制著整個電解水反應(yīng)的速率,因此迫切需要開發(fā)高效的OER電催化劑,尤其是開發(fā)分布更廣泛的非貴金屬催化劑。本論文著眼于這一點(diǎn),首先綜述了OER電催化劑的研究方面取得的進(jìn)展,重點(diǎn)闡述了設(shè)計(jì)、合成新型的含鈷催化劑所取得的進(jìn)展。由于之前開發(fā)的非貴金屬電催化劑在很多時候其催化活性和穩(wěn)定性達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求,本論文選擇了成本低、產(chǎn)量大、活性穩(wěn)定性增強(qiáng)空間大的鈷系化合物材料作為主要研究對象,通過深入理解這類材料的活性位點(diǎn),在合成中有針對性地采用大比表面積材料,將它們與導(dǎo)電性良好的碳材料復(fù)合來改善其催化性能,并研究主要暴露晶面、結(jié)構(gòu)等對OER電催化性能的影響,為開發(fā)活性、穩(wěn)定性都能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的電催化劑提供了參考價(jià)值。本論文所取得的主要研究成果如下:首先選擇合成了主要暴露晶面分別為{110}和{100}的Co3O4納米棒及Co3O4立方體,這兩種晶面的區(qū)別是前者含有Co3+,后者只含有Co2+。將這兩種晶體分別用做OER電催化劑,研究主要暴露晶面對OER催化性能的影響,發(fā)現(xiàn)Co3O4的{110}比{100}的活性更高,得出Co3O4晶體表面的Co3+是電催化OER的活性中心。這個工作對于設(shè)計(jì)合成暴露高活性面的Co3O4晶體作為催化劑有著重要的意義�；谏蟼�工作得出的主要暴露晶面為{110}的Co3O4晶體擁有較高的OER催化活性,合理設(shè)計(jì)將主要暴露晶面為{110}的四氧化三鈷納米棒與導(dǎo)電性良好的碳納米管合成新型的復(fù)合物(Co3O4@MWCNT)來提高OER催化活性,通過DETA的輔助作用,成功合成了復(fù)合物,其中Co3O4納米棒主要暴露晶面仍為{110},并緊緊圍繞固定在多壁碳納米管的周圍,形成狼牙棒狀的結(jié)構(gòu)。將此復(fù)合物用于電催化OER,通過對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與單獨(dú)的Co3O4納米棒相比,復(fù)合物的催化活性和穩(wěn)定性均得到提高,而且發(fā)現(xiàn)DETA的加入對復(fù)合物的形貌、結(jié)構(gòu)及催化性能均有很大影響,與合成時未添加DETA的Co3O4-MWCNT相比,復(fù)合物Co3O4@MWCNT的形貌更均勻,催化性能也更優(yōu)異。此工作為理性設(shè)計(jì)并制備具有特殊形貌的金屬氧化物與碳納米管復(fù)合物提供了參考。將NaOH、Na2CO3分別以顆粒的形式加入到含鈷離子的溶液中,再將水熱生成的Co3O4前軀體進(jìn)行煅燒熱解,最終生成了介孔的Co3O4片層和方糖狀材料。將兩種材料分別進(jìn)行OER電催化測試,發(fā)現(xiàn)兩種介孔材料的性能均優(yōu)于對照組的Co3O4納米顆粒,而且介孔片層的Co3O4比介孔方糖狀的Co3O4催化性能更好。認(rèn)為片層狀的Co3O4結(jié)構(gòu)中帶介孔的薄層更利于更多的Co與電解液接觸,所以能夠產(chǎn)生很高的催化電流響應(yīng),而方糖塊狀結(jié)構(gòu)雖然也有介孔,但其內(nèi)部核心不易于電解液接觸,因此OER電催化性能不如介孔片層的Co3O4。堿式碳酸鈷作為一種合成Co3O4的前軀體,沒有被報(bào)道過用于電催化劑,此工作首次將堿式碳酸鈷用于電催化OER領(lǐng)域中。由于堿式碳酸鈷本身的導(dǎo)電性差,故將其與碳納米管復(fù)合,制備了高比表面積的堿式碳酸鈷納米片與碳納米管的復(fù)合物,并研究了碳納米管的引入對堿式碳酸鈷在OER方面應(yīng)用的作用,結(jié)果顯示碳納米管的引入使得復(fù)合材料展示了高效的OER電催化性能,其催化活性和穩(wěn)定性均比單獨(dú)的堿式碳酸鈷有很大提升,證實(shí)了將堿式碳酸鈷材料應(yīng)用于電催化OER催化劑的可行性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O643.36

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周明華,吳祖成,汪大，

本文編號：2428768