铁镍基金属有机骨架材料的制备及其析氧性能的研究

• 作 者: 王强
• 出 处: 太原理工大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: MOFs 电解水 OER 电流密度 过电势

面对传统化石能源过度使用带来日益严重的环境问题,寻找清洁可再生能源变的尤为重要。氢能被认为是替代传统化石燃料的理想选择,其中电解水制氢为大规模制氢提供了一种清洁有效的方法。电解水过程中的阳极析氧半反应（OER）涉及到多步电子转移,动力学过程缓慢,被认为是有效水分解的重要瓶颈。因此我们的目标是制备高效稳定的阳极析氧催化剂。金属有机骨架（MOFs）材料因其较大的比表面积、可调的孔径、金属离子和有机配体多样性以及自身含有众多的被认为具有催化活性的MO₆（M=金属）八面体结构和暴露的亲水羧基,表现出了优异的电化学OER性能,使得其在电催化领域受到了广泛关注。但是由于MOFs的导电性通常比较差、孔径过小不利于传质过程等缺点,运用在电催化领域具有局限性。目前MOFs在电解水领域的应用主要是作为牺牲模板制备其氧化物、磷化物、碳氮化物,或是通过掺杂导电材料来增强其水氧化性能。本文通过溶剂热法制备了一系列的MOFs催化剂,并直接用做电解水阳极析氧催化剂。通过XRD、SEM、TEM、EDS、XPS等表征手段对其结构、形貌、组成及价态进行系统的分析。具体研究内容如下:1.溶剂热法一步合成了FeNi-MIL-101材料。这些MOFs含有大量具有催化活性的MO₆八面体和外露的亲水羧基,这些都被认为是可以有效地增强OER活性。MIL-101在MIL系列材料中孔径较大,其中心离子处于高价态使结构更加稳定。结果表明,Fe₂Ni-MIL-101具有良好的OER性能。在1M KOH溶液中达到20 mA·cm^-2的电流密度下的过电势为237 mV,相应的Tafel斜率为44.2 mV·dec^-1。2.采用溶剂热法成功合成了FeNi-MOF/NF电极。这种特殊的三维电极是在泡沫镍表面原位生长FeNi-MOF,得益于MOFs本身的多孔结构以及Fe与Ni之间的金属协同作用,该催化剂表现出优异的电化学性能。因为原位制备的结合力更强,展现出良好的稳定性,同时这种无粘结剂的催化剂电极整体的电阻减小。在10 mA·cm^-2的过电势仅为190 mV,对应的Tafel斜率仅为27.6 mV·dec^-1。此外。在100 mA·cm^-2的电流密度下,只需要223 mV的过电势。