负载型钴基催化剂的制备及其电催化性能的研究

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由于经济的快速发展、环境问题的日益严峻,以传统化石燃料为基础的能源危机问题引起了人们的广泛关注。开发清洁高效、可持续的新型替代能源是解决能源危机和缓解环境污染的有效途径。氢能作为一种零碳源的清洁燃料,具有能量密度高和燃烧产物无污染等优点,被认为是一种重要的绿色能源。可再生能源驱动的电解水是一种具有环保前景的高纯氢燃料生产方法。因此,它被广泛认为是一项对氢经济至关重要的“核心清洁能源技术”。然而,电解水需要克服两个半反应的能垒,开发有效的电催化剂才能降低反应的过电位。钴基合金材料含量丰富,具有良好的催化性能,引起了人们较广泛的关注与研究。本论文的主要内容是利用简单化学镀的方法制备钴基催化剂,并探究它们的电解水性能,主要内容包括以下几个方面:(1)采用简单化学镀的方法成功地在泡沫镍(NF)基体上负载了Co-Cu-P/NF合金催化剂,并探究其析氧反应(OER)的活性,发现Co-Cu-P/NF合金催化剂的制备条件以及高温退火处理均会对催化剂的OER性能产生影响。经300°C高温退火、化学镀10 min后得到的Co-Cu-P/NF催化剂表现出最佳的电解水性能,在电流密度为10 mA?cm-2时,Co-Cu-P/NF的过电位为307 mV,Tafel斜率为71.76mV·dec-1,拥有快速的反应动力学。300°C退火处理后的Co-Cu-P/NF催化剂表现出良好的稳定性与较强的界面结合能力,在10 mA?cm-2的恒定电流密度下,进行了长达85000 s的稳定性测试并保持较好的形貌。除此之外,Co-Cu-P/NF还具备显著的析氢反应(HER)催化活性,在电流密度为10 mA·cm-2下,负载Co-Cu-P合金的催化剂过电位为158 mV,Tafel斜率为81.2 mV·dec-1,表明Co-Cu-P/NF催化剂拥有较高的HER活性。(2)采用化学镀的方法在多孔NF基体上沉积了高性能Fe-Co-P合金催化剂。随着Fe成分的引入,催化剂的OER活性有了很大程度地提高。当镀液中Fe2+/Co2+浓度比例为5/5,化学镀时间为5 min所制得的Fe-Co-P/NF合金催化剂拥有最优的催化活性。最优配比的Fe-Co-P/NF催化剂仅需要250 mV的OER过电位就可以达到10 mA·cm-2的电流密度,并且拥有49.2 mV?dec-1的Tafel斜率和较好的稳定性。Fe-Co-P/NF对于HER同样具备良好的催化活性,过电位仅为163 mV(j=10 mA·cm-2)。当Fe-Co-P/NF催化剂直接作为阳极和阴极用于全解水时,仅需要1.68 V vs.RHE的低电位就可以达到10 mA·cm-2的电流密度,意味着Fe-Co-P/NF合金可以成为全解水的有效双功能电催化剂。(3)石墨烯(Gr)量子点具有比表面积大、电子迁移率快、活性中心多等特性,并且石墨烯与过渡金属材料进行复合可以有效地扩大单一过渡金属材料的比表面积,提高材料的电导率,实现电解水的高催化活性和稳定性。利用化学复合镀的方法在Fe-Co-P镀液中添加氧化石墨烯(GO)量子点,使其与Fe-Co-P合金在NF基体上发生共沉积,成功制备出Fe-Co-P-Gr/NF复合催化剂。探究了加入量子点的量对系列Fe-Co-P-Gr/NF催化剂OER催化活性的影响,最佳条件为添加800μL GO量子点并且进行化学复合镀2 min。Fe-Co-P-Gr/NF催化剂仅需要230 mV的过电位就可以达到10 mA·cm-2的电流密度,比Fe-Co-P体系缩小了20mV,Tafel斜率由49.2 mV?dec-1降至为37.9 mV?dec-1,说明Fe-Co-P-Gr/NF拥有更加快速的反应动力学。另外,Fe-Co-P-Gr/NF催化剂作为双功能催化剂具备更显著的全解水性能,在1.58 V vs.RHE的电位下就可以达到10 mA·cm-2的电流密度,相比于Fe-Co-P体系(1.68 V vs.RHE),复合合金Fe-Co-P-Gr/NF将过电位缩小了100 mV,因此表明了化学复合镀Fe-Co-P-Gr/NF催化剂更符合实际应用的标准。
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