电刻蚀策略构筑镍基高活性材料及其电氧化性能研究
氢气因其具有零碳含量和最高能量密度等优点，被认为是替代化石燃料最有前途的清洁能源。氢气来源广泛，可通过天然气、其他化石燃料和电解水等方式获取。其中，通过电解水制备氢气无需产生其他污染物，是一种非常有前景的、环保绿色的可再生能源转换策略。然而其析氧反应(OER)涉及多个电子转移步骤和氧-氧键的形成过程，被认为是电解水制氢的主要瓶颈。因此，设计高效的电氧化催化剂以降低过电位，对实现高效产氢和“碳中和”具有重要意义。镍铁基层状双金属氢氧化物(NiFe-LDH)是一种优异的电催化剂，通过调整其微观结构，可使其电催化性能得到进一步的提升。 基于此，本工作研究内容及结果如下: Ni(Fe)OOH 一直被认为是NiFe-LDH在OER中最活跃的中间体，但由于其氧化能高且性质不稳定，难以直接合成。因此，探索稳定且高活性Ni(Fe)OOH催化剂的合成方法是一重大挑战且至关重要。在众多稳定化合成方法中，利用晶相与非晶相相互掺杂，建立结晶-非晶相结构是提高催化剂催化性能和稳定性的有效途径。基于上述考虑，采用双向扩散-自重构策略制备多相Ni(Fe)OOH电催化剂。HR-TEM、Raman、XPS等一系列表征表明Ni(Fe)OOH中晶相与非晶相共存且存在明显的相界面，Ni、Fe均呈现+3价态，具有丰富的氧空位和孔结构。在强碱性溶液中，电流密度为10 mA/cm2时，OER的过电位低至175 mV,并伴有较小的Tafel斜率(35.89 mV/dec)。此外，Ni(Fe)OOH催化剂表现出优异的OER稳定性，在测试72 h后没有明显变化。Ni(Fe)OOH中的晶相可以提供良好的电子传递能力;长距离无序的非晶相结构由于键长相对随机、氧空位充足、活性位点较高、电子构型不饱和，更有利于促进中间体吸附。因此，Ni(Fe)OOH中非晶-结晶共存是在保持材料稳定性的前提下获得高OER活性的有效方法。 在NiFe-LDH上负载少量的贵金属已被证明是提高电催化性能的有效方法。而具有缺陷的NiFe-LDH层板可以为锚定贵金属提供特殊的限制位点，是耦合贵金属的优先策略，在实现牢固负载的同时，还会对贵金属的均匀分散产生有利影响。因此，在前一个工作的基础上，通过缺陷复原策略，以电还原沉积的方式实现Pt纳米颗粒在缺陷NiFe-LDH纳米片孔洞上的精准填充，构筑V-HCNF@NiFe-LDH-Pt催化剂。以比OER在热力学上更有利且可以产生高附加值精细化学品的5-羟甲基糠醛电氧化反应(HMFOR)为探针反应，研究其催化活性。V-HCNF@NiFe-LDH-Pt作为HMFOR催化剂可以有效降低过电位(在10mA/cm2的电流密度下，比OER电位低50 mV)。V-HCNF@NiFe-LDH-Pt对HMF转化率、FDCA的产率和法拉第效率分别为99.5％、97.9％和 97.4％。V-HCNF@NiFe-LDH-Pt 电催化剂在 HMFOR 中表现出优异的循环稳定性，在六次循环中HMF转化率，FDCA的产率和法拉第效率均无明显变化。因此有望将其与析氢反应耦合，以提高整体能源效率并增加经济效益。研究结果对贵金属Pt负载NiFe-LDH催化剂的设计提供了新思路。
电催化剂;镍基高活性材料;制备工艺;电氧化性能;电刻蚀策略
北京化工大学
硕士
化学
陈伟
2023
中文
TQ426.6
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）