【摘 要】
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钼酸钴（CoMoO4）是一种双金属氧化物,结合了钴元素导电性优异以及钼元素价态可变的特点,对于电催化反应具有较高的活性,同时其典型的金属钼酸盐晶格结构具有极高的稳定性,因而CoMoO4纳米材料在电催化分解水领域表现出巨大的潜力。近年来相关的研究逐渐增多,但现有的钼酸钴基电催化剂仍未满足工业电解水制氢的要求,尤其在工业制氢常用的大电流密度下的析氧（Oxygen evolution reaction）
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钼酸钴（CoMoO4）是一种双金属氧化物,结合了钴元素导电性优异以及钼元素价态可变的特点,对于电催化反应具有较高的活性,同时其典型的金属钼酸盐晶格结构具有极高的稳定性,因而CoMoO4纳米材料在电催化分解水领域表现出巨大的潜力。近年来相关的研究逐渐增多,但现有的钼酸钴基电催化剂仍未满足工业电解水制氢的要求,尤其在工业制氢常用的大电流密度下的析氧（Oxygen evolution reaction）性能与实际应用的标准相去甚远。因此采用合理的方法改善CoMoO4纳米材料的催化性能对于工业应用而言具有重要意义。纳米材料的成分和结构决定了其催化性能,对于氧化物而言,通过制造晶格缺陷产生氧空位来优化电子结构是提升其催化性能的有效方法,但制造氧空位的常规方法如高温退火法、气氛还原法和机械球磨法等工艺繁琐且制备条件苛刻。为了提升CoMoO4纳米材料的OER活性,本论文以性能良好的CoMoO4纳米花为前驱体,利用自制的简易微波等离子体设备通过等离子体刻蚀使CoMoO4纳米花快速生成大量表面氧空位。该方法简便高效,使CoMoO4纳米花的OER性能获得显著提升,相比于常规方法具有极大的优势。此外,结合成分优化与结构优化的策略,本论文利用电沉积法将高活性的NiFe LDH成功复合至CoMoO4纳米花表面,首次实现CoMoO4/NiFe LDH核壳结构复合材料的设计与制备,并通过调节复合材料的成分比例与结构促进两种成分的协同作用得到最佳OER性能。具体的研究内容如下:1.含氧空位CoMoO4纳米花的制备及其OER性能研究:首先以泡沫镍为基底利用水热-煅烧两步法合成了 CoMoO4纳米花,再使用自制的简易微波等离子体设备,通过等离子体刻蚀法对前驱体进行还原处理,使CoMoO4纳米花表面产生氧空位,并探究了不同刻蚀时间对于CoMoO4纳米花形貌、晶格结构以及催化性能的影响。结果表明随着刻蚀时间加长,CoMoO4纳米花表面会逐渐变得粗糙,材料的活性也会随之发生明显变化。当刻蚀时间为10min时,CoMoO4纳米花表现出最佳的催化性能,当电流密度为10 mA/cm2时其OER过电位仅为225 mV,相比于前驱体有明显提升。对含氧空位CoMoO4纳米花的OER作用机理进行探讨,发现含氧空位CoMoO4纳米花优异的OER性能主要来源于氧空位对CoMoO4纳米花电子结构的优化、刻蚀过程中形貌变化带来的比表面积的增大和活性位点数量的增多。2.CoMoO4/NiFe LDH核壳结构复合材料的设计制备及其OER性能研究:首先以泡沫镍为基底利用水热法制备CoMoO4纳米花,再通过简单的电沉积技术在CoMoO4纳米花表面均匀沉积NiFe LDH纳米片,通过控制电沉积的反应时间来调节CoMoO4/NiFe LDH复合材料的成分和结构。对不同条件制备的复合材料进行表征,结果表明随着电沉积时间加长,NiFe LDH超薄纳米片会逐渐在CoMoO4纳米花表面生长形成核壳结构,不同反应时间制得的CoMoO4/NiFe LDH复合材料均表现出优于前驱体的OER性能。当沉积时间为300 s时,CoMoO4/NiFe LDH复合材料具有最佳的OER性能,当电流密度为10 mA/cm2时其OER过电位仅为214 mV。该电催化剂优异的OER性能主要归因于构建异质结使两种成分产生良好的协同效应从而优化了电催化剂的电子结构,同时合理的核壳结构使电催化剂的电化学活性比表面积达到最大,暴露出大量的活性位点。
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