钴、锌基化合物核壳结构材料的合成及电催化性能的研究.pdf
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安徽师范大学硕士学位论文
钴、锌基化合物核壳结构材料的合成及电催化性能的
研究
摘要
传统化石燃料由于储量有限和污染环境等不足愈发不符合当代社会的发展,
所以科学家需要开发可持续和环境友好型的能源来替代化石燃料。电解水被认为
是一种生产可持续能源的有效技术,它可以将水分解生成高纯度的氢气。为了实
现大规模的氢气生产,制备出廉价,储量丰富,高效和稳定的电催化剂是非常重
要的。贵金属催化剂是目前主流的催化剂,但储量稀少限制了它的商业发展。因
此,含量丰富的过渡金属化合物受到研究人员的大量关注,同时不同组分电催化
剂核壳结构的建立经证明能够高效的促进电解水的催化性能。本文主要研究了通
过对过渡金属催化剂核壳结构的构建,从而提高了其电解水的催化活性。本文的
主要内容如下所示:
1.高效、稳定的双功能电催化剂对于电解水的实际应用具有非常重要的意义。
本文通过简单的两步水热法在泡沫镍骨架上成功合成了核壳结构的
CoCO @NiFe LDH LDH
3 ( 为双层氢氧化物)的纳米线阵列,并且该催化剂在电
解水中展现了杰出的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)催化性能。在OER 中,
-2
CoCO @NiFe LDH 催化剂在20mAcm 电流密度下只需要232mV 的过电势;
3
HER 10mAcm-2 171mV CoCO @NiFe
在 中, 电流密度下只需要 的过电势。同时把 3
-2
LDH 作为二电极体系催化剂用于全电解水时,在 10mAcm 的电流密度下所需
要的电压仅为1.67V。对该催化剂进行了1000 圈的循环伏安测试和20 小时的恒
电流测试,都展现了其优异的稳定性。这些结果表明CoCO @NiFeLDH 催化剂
3
对于实际的电解水应用有很好的前景。
2.核壳结构Co O @NiCoLDH 的构建对于促进电解水的催化性能具有明显
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的效果。将Co O 纳米线和NiCoLDH 纳米片制备成三维Co O @NiCoLDH 核
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-2
壳结构用于OER 时,在15mAcm 的电流密度下所需要的过电位只要279mV;
当作为HER 催化剂时,仅需要 113mV 的过电位就能达到10mAcm-2 的电流密
度。将Co O @NiCoLDH 同时作为阳极和阴极用于二电极体系时,在10mAcm-2
3 4
的电流密度下所需要的电压只要 1.66V,同时在该电流密度下进行20 小时的稳
OER HER
定性测试,发现性能几乎没有衰减。对经过 和 稳定性测试后的样品进
行SEM 和XRD 分析,结果表明其外貌和晶相与初始状态一致。这些结果表明
了Co O @NiCoLDH 可以作为高效的催化剂应用于实际的水电解中。
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3.ZnCo O @NiFeLDH 核壳结构催化剂对于OER 具有杰出的催化性能。由于
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电解水是由OER 和HER 这两个半反应组成的。在这其中,全电解水的效率很大
程度上是受OER 的限制,它包含复杂的4 电子转移过程和滞后的反应动力学性
能。因此,发展高效的阳极OER 催化剂对于促进全
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