可再生清洁能源水能开发的战略地位及电解水析氧高效催化剂的研究

可再生清洁能源水能开发的战略地位及电解水析氧高效催化剂的研究

概括：

随着工业化的不断深入，能源消耗过大、环境污染加重的问题日益突出，因此探索安全、清洁、高效的可再生能源成为研究热点之一。作为零污染的可再生清洁能源，世界各国都把水电开发放在能源发展的战略位置。在电化学催化领域，与水密切相关的主要反应有四大类（氢氧化反应（HOR）、析氢反应（HER）、氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）），其中HER和OER是组成水分解反应的两个半反应。OER过程涉及四个电子的转移，是一个动力学上缓慢的反应过程，OER所需的过电位远高于HER，这是影响水分解效率的主要因素。因此，水电解析氧的研究重点是开发加速反应动力学的高效催化剂。目前OER催化性能最好的是贵金属阳极析氧材料，例如Ru、Ir等。这些贵金属材料OER活性好，且比较稳定，但由于其储存容量有限、价格昂贵，无法大规模生产。因此必须寻找更加廉价的金属来替代贵金属材料作为OER催化剂。与其他过渡金属单原子或化合物相比，镍钴化合物具有优异的OER催化活性、良好的稳定性以及低廉的成本，因此迅速成为当前研究的热点。研究表明，通过增加镍钴化合物的活性位点数量和双层电容、掺杂非金属阴离子或提高电子传输能力等均可以有效提高催化剂的活性。

本论文以提高催化剂的催化活性为目的，采用电化学沉积法在三维多孔泡沫镍基底上直接生长镍钴化合物作为电催化剂，用于催化电解水，并系统探究催化剂的结构、组成和形貌对电解水析氧性能的影响，为合成类似的镍钴基OER催化剂提供重要思路。以下是本论文的主要研究内容：本文第一章为绪论，概述了电解水析氧的研究进展和电化学沉积在电化学材料中的应用现状，阐述了OER催化剂的分类，并结合镍钴双金属化合物催化剂的优势，制定了本论文的研究方向和实验计划。本论文第二章选取三维网络泡沫镍(NF)为导电基底,以硝酸钴和硝酸镍为前驱体,以蒸馏水(DI Water)为溶剂,以表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为形貌调节剂,采用直流电源,通过调节前驱体投料配比、电化学沉积时间、表面活性剂类型,采用简便的一步电化学沉积法制备出具有三维介孔网络结构的镍钴双氢氧化物(Ni-Co LDH)催化剂。随后对Ni-Co LDH材料进行了线性扫描伏安法(LSV)、电化学阻抗谱(EIS)、循环伏安法(CV)等一系列电化学测试,并对其相状态、表面元素价态及组成、形貌以及化合物中分子键的存在形式进行了研究。表明该催化剂具有优异的OER性能。

表征结果表明Ni-Co LDH催化剂的电化学析氧性能高度依赖于其结构、尺寸、电导率及表面性质。其中表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的加入大大提高了合成的Ni-Co LDH催化剂的电解析氧性能，在过电位仅为292 mV时电流密度即可达到100 mA/cm~2，且稳定性好，该材料的开发为制备高OER性能的催化剂提供了新的思路。本文第三章在对Ni-Co LDH催化剂研究的基础上，进一步探究了引入不同阴离子对催化剂电化学性能的影响。我们利用电化学沉积法，通过调控前驱体Ni和Co的投料比，制备了一系列Ni-Co-Se三维分级结构和Ni-Co-S纳米片。研究镍钴氧化物化合物的组成与电化学性能之间的关系在电化学分解水方面非常有价值。利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和XPS等表征方法对材料的物相、结构、尺寸、形貌、表面元素组成及价态等进行了科学分析。同时利用LSV、EIS、CV等电化学测试方法系统研究了Ni-Co-Se、Ni-Co-S、Ni-Co-Se-S及Ni-Co-Se-SP催化剂的电催化性能，结果表明它们均具有优异的电催化活性和稳定性。

本文第四章在对Ni-Co-Se和Ni-Co-S催化剂研究的基础上，进一步探究了P离子对催化剂电化学OER性能的影响。采用电化学沉积法在NF上制备了系列Ni-Co-Se-S和Ni-Co-Se-SP材料，通过调节Se和S的投料比例以及是否进行退火处理找到了高活性催化剂的合成条件。这对于研究镍钴化合物在电化学分解水过程中的组分-性能关系非常有价值。通过LSV、EIS和CV等一系列电化学测试，以及对所有样品的相状态、形貌结构、表面元素组分和价态的表征，结果表明其具有良好的电催化OER活性和耐久性。本文第五章总结了本人硕士期间所做的研究工作，同时对未来研究工作的探索做出了合理的展望。

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