NiFe双金属氢氧化物的调控合成及其在电化学领域的应用
全球经济增长、人口膨胀及工业化带来的能源快速消耗已经给社会环境带来了不同程度的污染。近期，可再生清洁能源开发以及CO2等温室气体的减排开始逐渐成为人们研究的重点。电解水制氢和CO2电催化还原过程是目前解决这两个问题的有效手段。其中，电解水制氢由析氢(HER)和析氧(OER)两个半反应组成，析氧反应为四电子转移过程，从反应动力学角度看较难进行，因此这一研究中亟待寻找高效且价格低廉的稳定的催化剂来加速析氧反应。此外CO2电催化还原过程中，析氧反应也扮演着不可或缺的角色。作为气体溢出反应中的一类，析氧反应过程中会产生大量气泡，反应过程需要较高的过电位，且氧气气泡造成催化剂表面的活性物质的脱落，从而引起的催化剂稳定性衰减等问题，对析氧催化剂提出了更高的要求。常用的催化剂RuO2及IrO2等有着优异的析氧性能，但在电催化过程中易被氧化成RuO4及IrO3而发生溶解，降低了催化稳定性，价格昂贵储量有限因而限制了贵金属类催化剂的大规模工业化应用。近年来，大量研究致力于非贵金属类可替代型催化剂的开发利用，如钙钛矿、尖晶石等金属氧化物，以及过渡系双金属氢氧化物等。过渡金属基催化剂不仅价格低廉，合成工艺也较为简单，还可以在碱性溶液中保持高效的催化效率，是一类良好的电催化材料。在上述众多的OER催化材料中，过渡金属NiFe层状双金属氢氧化物(NiFe水滑石)在电催化析氧反应中展现了优异的催化活性，但NiFe水滑石(NiFe LDHs)催化剂在OER过程中的活性位点及气泡溢出影响还有待于进一步确认，针对以上两个问题，本文从以下两方面开展研究: 1基于水滑石层板可调控的优势，将Zn2+、Al3+分别引入NiFeLDHs层板，制备NiFeZn及NiFeAl三元水滑石，并尝试利用温和的碱处理的方法，选择性刻蚀Zn、Al，制备了富含Ni-O-Fe及Ni-O-Ni缺陷类水滑石，获得了具有极高析氧活性的缺陷类NiFe LDHs催化剂。通过在0.1M KOH电解液中进行测试，缺陷类NiFeZn LDHs催化剂暴露了Ni-O-Fe缺陷位，其起峰位仅为190mV，远优于NiFe LDHs本身的性能，而暴露了Ni-O-Ni活性位的缺陷类NiFeAl LDHs析氧活性相较于NiFeAlLDHs本身有一定的提升，但并未超过NiFe LDHs。结合密度泛函理论计算，进一步验证了这一实验结论，缺陷类NiFeZn LDHs因其暴露了更多Ni-O-Fe活性位而使得OER性能得到显著提升。 2通过简单的水热法制备了具有高活性的NiFe LDHs纳米阵列电极，选用碱性测试环境进行OER性能测试，并引入十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)、十二烷基磺酸钠(SDS)等不同电荷类型的表面活性剂对电极进行修饰，研究两类表面活性剂对于OER过程的作用，并原位观测气泡在固液相界面的接触行为以及液相中的粘附行为。其中，电催化氧气析出过程中NiFe LDHs-CTAB体系中气泡尺寸较小且易于脱离电极表面，保证了NiFe LDHs纳米阵列电极的本征催化活性，同时还提升催化稳定性，揭示了通过引入表面活性剂，调节催化剂固相界面与溶液的气液以及气泡间三相接触线从而改变气体溢出行为，为多类电催化剂在气体溢出反应中的应用提供新的策略。
催化剂;镍铁双金属氢氧化物;制备工艺;纳米阵列电极
北京化工大学
硕士
化学工程
孙晓明;丁轶
2018
中文
TQ426.6
91
2018-09-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）