三維多級(jí)結(jié)構(gòu)電極材料的可控制備、表征及電催化氧化生物質(zhì)性能研究.pdf

1、目前許多碳基材料，如煤、天然氣、石油等不可持續(xù)資源日益耗減，能源需求增大和環(huán)境污染問(wèn)題，激勵(lì)著研究人員尋求可替代能源和能量存儲(chǔ)裝置。氫能是較為有應(yīng)用前景的可再生能源。工業(yè)上產(chǎn)氫的方式主要有電解水制氫、煤氣化制氫、重油及天然氣催化轉(zhuǎn)化制氫等。這其中電解水制氫是一個(gè)重要的途徑，其核心反應(yīng)是析氧和析氫反應(yīng)。其中，析氧反應(yīng)高度依賴(lài)溶液的pH值，且為動(dòng)力學(xué)慢反應(yīng)，因此開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的析氧反應(yīng)催化劑對(duì)于提升電解水產(chǎn)氫的效率，以及與之相關(guān)的燃料電池、

2、儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。到目前為止，大量電催化材料已經(jīng)被設(shè)計(jì)和合成出來(lái)用于提高析氧反應(yīng)性能。
　　本論文研究的內(nèi)容針對(duì)目前析氧反應(yīng)的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀，以泡沫鎳、泡沫銅為基體，在其表面原位生長(zhǎng)形貌、組成可控的納米結(jié)構(gòu)單元，構(gòu)筑具有高機(jī)械強(qiáng)度、高活性的三維多級(jí)結(jié)構(gòu)電極材料，研究材料的組成、結(jié)構(gòu)等對(duì)電催化析氧反應(yīng)性能的影響，并將其應(yīng)用于生物質(zhì)平臺(tái)分子的電催化氧化，為新型高效電催化材料的設(shè)計(jì)和制備提供新的思路和方法，具體研究?jī)?nèi)容包括以下

3、兩部分。
　　1.利用水熱法在泡沫鎳表面原位生長(zhǎng)垂直于骨架結(jié)構(gòu)的鎳鋁水滑石前體材料。通過(guò)離子交換法，將含有B、P元素的陰離子引入到水滑石層間，構(gòu)筑含有硼或磷的陰離子的水滑石中間體。隨后經(jīng)高溫還原處理，得到具有三維多級(jí)結(jié)構(gòu)的高分散鎳的硼化物和鎳的磷化物，分別表示為NiB-Al2O3/NF、NiP-Al2O3/NF。并將其應(yīng)用于水的電催化析氧反應(yīng)及5-羥甲基糠醛選擇性電催化氧化反應(yīng)。當(dāng)電流密度達(dá)到10mA·cm-2時(shí)，析氧反應(yīng)過(guò)電位分

4、別是221mV和193mV;5-羥甲基糠醛的轉(zhuǎn)化率和選擇性分別可達(dá)99.0％和98.0％以上。研究結(jié)果表明B、P元素能夠調(diào)節(jié)金屬Ni的電子狀態(tài)，從而影響催化性能。且所得的電極材料均表現(xiàn)出良好的化學(xué)穩(wěn)定性。
　　2.采用氧化法，以泡沫銅為導(dǎo)電基底并提供反應(yīng)所需要的銅源，以氫氧化鈉和過(guò)硫酸銨的混合液為氧化劑，在泡沫銅表面原位生長(zhǎng)垂直于骨架結(jié)構(gòu)的Cu(OH)2納米線(xiàn)前體，經(jīng)高溫焙燒轉(zhuǎn)化為CuO納米線(xiàn)。然后通過(guò)電沉積的方法在CuO表面形成

5、鎳鈷氫氧化物殼層，通過(guò)對(duì)沉積電位、沉積時(shí)間等的控制，構(gòu)筑具有核殼結(jié)構(gòu)的CuO@NiCo(OH)x三維多級(jí)銅基電極催化材料。通過(guò)SEM、TEM等形貌表征手段可以得知所得核殼結(jié)構(gòu)材料的殼層形態(tài)和厚度。研究結(jié)果表明，所得的CuO@NiCo(OH)x材料結(jié)合了銅基催化材料優(yōu)異的導(dǎo)電性和金屬氫氧化物材料的電學(xué)性質(zhì)，提供較大的電化學(xué)比表面積，有利于提高OER催化效率。在堿性條件下，當(dāng)電流密度達(dá)到10mA·cm-2時(shí)，析氧反應(yīng)過(guò)電位約為302mV，T