论文部分内容阅读
氢气由于可再生性和环保性被广泛认为是最具吸引力的能源之一。在生产氢气的各种方法中,电化学水分解是一条十分有希望的途径。然而,由于阳极析氧反应（OER）缓慢的动力学限制了整体电解水的效率。因此对于提高整体电解水效率而言,开发性能高效、价格低廉的OER电催化剂具有重要的意义。二维分层双氢氧化物（LDH）被认为是OER在结构成分、物理化学特性和催化活性方面最先进的催化剂之一。但是,块状LDH还存在着一些问题需要改进,例如低导电性和较少的活性位点数量等。为了解决这些问题,进一步提高其在OER以及全解水中的催化活性,本工作对LDH结构和导电性进行改进。具体研究内容如下:（1）非晶态NiFe-LDH纳米片的制备及析氧性能研究。在这项工作中,通过使用氨三乙酸镍（Ⅱ）络合物阴离子（[NTANi]-）作为形态控制剂,合成了具有丰富活性位点的非晶态NiFe-LDH（A-NiFe-LDH）。研究表明A-NiFe-LDH的OER电催化活性远高于商业RuO2和晶态NiFe-LDH。A-NiFe-LDH在10 mA cm-2时具有241 mV的低过电势,Tafel斜率仅为55 mV dec-1。结构表征证明,A-NiFe-LDH具有高度无序的非晶相以及丰富的活性位点。本工作提供了一种用[NTANi]-阴离子调节LDH纳米片晶相的策略,同时也为非晶相NiFe-LDH催化剂的合成提供了新的思路。（2）设计构建NiFeCr-LDH/NiS/NF二维多片层纳米阵列用于高效析氧反应。通过构建NiS/NF阵列作为导电基底,利用NiS阵列的高导电性以及精细结构有利于气体运输的特性,采用简单的溶剂热法在NiS/NF阵列上负载NiFeCr-LDHs。结构分析表明NiFeCr-LDH/NiS/NF具有特殊的二维多片层纳米阵列结构。在1.0M KOH电解液下,NiFeCr-LDHs/NiS/NF电极在电流密度为10 mA cm-2时的过电位仅为193 mV,其Tafel斜率仅为52 mV dec-1。其独特的二维多片层结构为优异的性能做出了重要的贡献。同时通过XPS表征,表明OER性能的显著提高也与NiFeCr-LDHs与NiS的相互作用密不可分。本工作为设计构建多层负载型催化剂的设计提供了新思路,对以后材料结构设计具有参考价值。（3）改性2D纳米片阵列NiFeCr-S/NiS/NF作为高效双功能电催化剂用于全解水。本章采用模板法,使用上一章合成的NiFeCr-LDHs/NiS/NF电极作为形态学指导剂及金属前体,采用气相沉积法合成得到NiFeCr-S/NiS/NF电极。结构分析表明,NiFeCr-S/NiS/NF成功保留了前驱体的多片层阵列结构。NiFeCr-S/NiS/NF材料作为双功能催化剂,拥有优异的析氧反应和析氢反应性能,在10 mA cm-2时的过电位分别为93 mV和119mV。同时在1.0M KOH+0.2M Na2S的溶液中,具有长时间优异的稳定性。OER和HER性能的显著提高,与其NiFeCr-S的生成密切相关。同时,与NiFeCr-S/NF相比,NiFeCr-S/NiS/NF电极的优异性能还与改性的多片层纳米片以及NiFeCr-S和NiS的相互作用密不可分。在整体水电解中,NiFeCr-S/NiS/NF//NiFeCr-S/NiS/NF系统表现了令人满意的性能。在电流密度为10 mA cm-2时,过电势为300 mV。本工作为制备新型精细结构的过渡金属硫化材料提供了新思路。