去合金化制备铜基催化剂及电催化析氧性能研究

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析氧反应(OER)是水电解制氢的控制步骤,开发出具备高活性、高比表面积以及高稳定性的过渡金属析氧催化剂具有重要意义。目前所报道的铜基析氧催化剂的OER活性相比Ni、Co基等金属氧化物仍在明显差距。因此开发出高效、稳定的铜基析氧催化剂依然面临着挑战。去合金化法能有效地改进催化剂结构,暴露更多的活性位点,从而提升催化性能。本论文利用去合金化法制备自支撑型多孔铜基催化剂,并研究其OER催化剂性能。通过刻蚀Mg72Cu28、Mg61Cu28Cd11、Mg61Cu28Y11,并结合电化学阳极化处理,我们成功制备了一系列的自支撑型多孔铜基纳米线(p-CuNWs)。SEM表征所制备的p-CuNWs电极表面为均匀分布的纳米线。利用XRD和XPS对催化剂的晶相结构和价态进行表征,证明样品以Cu的氢氧化物为主。用线性扫描法(LSV)等电化学方法评估p-CuNWs的OER活性,其中以Mg72Cu28为前驱体制备的p-CuNWs的催化活性最高。在碱性条件中过电位在η=310 mV时,电流密度达到10 mA cm-2,塔菲尔斜率为85 mV dec-1,可持续催化10 h以上。我们同时证明通过Cd和Y元素的掺杂,可以实现多孔铜基纳米线形貌的调控。采用循环伏安法对A160Cu36Co4、A160Cu40进行电化学刻蚀,制备出p-CuCoOx和p-CuOx催化剂。SEM研究表明Co元素的掺杂对多孔Cu基催化剂的形貌具有明显的影响,p-CuCoOx呈现出十分均匀的纳米刺结构。EDS分析显示p-CuCoOx电极的Cu和Co原子比约为7:1。p-CuCoOx催化剂具有比p-CuOx更加优异的OER活性。在碱性条件下当过电位在η=310 mV时,p-CuCoOx的电流密度达到50 A cm-2,是同等情况下p-CuOx的10倍。其优异的OER活性主要归功于Cu和Co元素之间的“协同作用”。
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