超薄类水滑石纳米片-碳复合物的制备及其电催化性能研究

作者
孙源;
摘要
氢气能源在存储与转换过程中存在的析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)、析氢反应(HER),由于动力学进程缓慢,反应能垒过高等原因,成为限制氢气能源广泛应用的主要原因之一。目前,标准催化剂皆为贵金属催化剂,这增加了能源存储与转换过程中的成本。OER催化剂中,类水滑石纳米片(LDHNS)复合物成本低、催化效果较好成为研究重点。然而,LDHNS复合物存在合成步骤复杂,LDHNS活性位点不能充分暴露,性能有待进一提高等问题。因此,探索一种简便易行、具有超薄结构的LDHNS复合物成为亟待解决的问题。通过设计合成超薄结构的LDHNS复合物暴露更多活性位点,增强LDHNS与碳材料的协同作用来提高电催化活性是有效途径。鉴于此本文通过原位生长构建了三种超薄LDHNS复合物电催化剂。主要内容如下:(1)在甲酰胺和水混合溶剂中,采用自下而上的方法,在rGO上原位生长镍铁类水滑石纳米片(NiFe-LDHNS),制备了超薄镍铁类水滑石纳米片/还原氧化石墨烯复合物(NiFe-LDHNS/rGO)。超薄LDHNS以单层或几层的形式复合在rGO的基底上,厚度为0.8-3 nm。由于超薄LDHNS暴露了更多的活性位点,NiFe-LDHNS/rGO具有较大的电化学活性面积和较低的电荷转移阻力。作为OER催化剂,NiFe-LDHNS/rGO在0.1 M KOH溶液中达到10 mA/cm~2电流密度时仅需要254 mV过电位。该材料还展示出较好的长期电化学稳定性。作为ORR催化剂,起始电位为0.85 V,极限扩散电流密度达到-4.1 mA/cm~2。超薄LDHNS复合物能够有效提升OER、ORR的电催化活性。(2)在甲酰胺和水混合溶剂中,以OCNT为基底,在其表面上原位生长超薄钴铁类水滑石纳米片,制备了超薄钴铁类水滑石纳米片/氧化碳纳米管(LDHNS/OCNT)。该制备方法赋予水滑石纳米片超薄的特性,厚度小于4 nm。由于LDHNS的超薄结构增加了更多暴露活性位点,与OCNT之间更强的协同作用,LDHNS/OCNTs表现出了良好的OER催化活性:在0.1 M KOH中,起始电位达到1.41 V,达到10 mA/cm~2电流密度的过电位仅为250 mV。塔菲尔斜率为48 mV/dec,电化学活性面积为1.31mF/cm~2,证实了较快的传质速率。并且,LDHNS/OCNTs还表现出优异的稳定性。然而在催化ORR时催化效果不理想。(3)在甲酰胺和水混合溶剂中,以石墨烯为基底,通过自下而上的原位合成法在LDHNS晶格中掺入Cu(OH)_2,经过水合肼热还原得到氧化铜掺杂的超薄镍铁类水滑石纳米片/还原氧化石墨烯复合物(CuO-NiFe-LDHNS/rGO)。由于CuO使LDHNS产生更多的边缘活性位点,LDHNS的超薄结构以及增强的协同作用,促进了其OER和HER的催化性能。作为OER催化剂,在0.1 M KOH中,达到10 mA/cm~2电流密度的过电位为256 mV。与NiFe-LDHNS/rGO相比,达到10和100 mA/cm~2电流密度的过电位分别降低2 mV和33 mV。塔菲尔斜率为15.3 mV/dec,表明反应过程中较快的动力学过程。作为HER催化剂,在0.1 M KOH中,达到-10 mA/cm~2电流密度的过电位为320 mV。结果表明在CuO造成的LDHNS晶格缺陷,增加的边缘活性位点有效的提升了材料对OER、HER的催化性能。
关键词/主题词
超薄类水滑石纳米片;碳材料;析氧反应;氧原还原反应;析氢反应;电催化
页数
85
出版日期
2019-06-07
学位授予单位
青岛科技大学
学位年度
2019
学位
硕士
导师
侯万国
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