低维锰基材料/氧化钛纳米管阵列复合结构的调制生长与电解水性能研究

作     者：李霞 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴玉程;张勇

授予年度：2017年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：TiO2纳米管阵列 氧化锰/氧化钛 光吸收 析氧过电位 电解水析氧 

摘      要：能源问题是当今社会发展面临的严峻挑战,风能和太阳能系统能源是众所周知的可再生能源,常常被用作发电系统,然而风能、太阳能能源系统的输出依赖于气候和地理条件,一个最有前途的替代能源是氢能,氢能作为载体能够减少能源在传输过程中的浪费。相比于高成本贵金属OER催化剂Pt、Ru、Ir及其氧化物,TiO纳米管阵列因其无毒无害、价格低廉、化学性能稳定、资源丰富等优点在解决环境污染与能源问题方面受到人们的广泛关注,氧化锰(如MnO和MnO)以其价格低廉、价态结构丰富等优点成为电解水电极材料的研究热点。但在实际应用中还存在着不可避免的瑕疵,如TiO较高的析氧过电位,较高的电子-空穴复合率,MnO较差的电化学稳定性,所以本文通过将二氧化钛纳米管阵列作为沉积基体平台,将TiO与MnO复合通过表面修饰和形态控制使二者优势互补。本文主要研究成果如下:(1)采用湿化学法沉积工艺,成功地将β-MnO-NPs沉积到TiO纳米管内制备具有可见光响应和较高析氧活性的β-MnO-NPs/TiO纳米管复合阳极材料。系统地研究了湿化学沉积工艺参数与电极材料的光吸收以及电解水OER性能间的关系并探讨了光吸收和OER的机理,实验结果表明当β-MnO-NPs沉积质量分数为26.6%时,MnO-NPs/TNAs有较好的可见光响应,电解水性能最好,将析氧过电位降到0.291V。(2)利用一步化学浴沉积法首次成功合成了TiO纳米管里生长MnO-NWs纳米复合结构电极材料、TiO纳米管里生长MnO-NTs复合双管电极材料,系统地研究了MnO-NTs与MnO-NWs两种不同形貌与可见光光吸收、电解水OER性能的关系。实验结果表明MnO-NTs@TNAs复合杂化双管结构的电极材料的可见光特征波长较长达到849nm,OER性能最优,将析氧过电位降到0.157 V,在0.80.20 V ***/AgCl的电压范围内,MnO-NTs@TNAs的光电流密度是MnO-NWs@TNAs的10倍,是TiO纳米管的近90倍。经过8 h后的计时电位测试后,电化学稳定性最好。(3)通过电化学阴极还原法合成了较大光电流响应的Mn-NPs@TNAs纳米复合电极,通过正交试验法以及极差分析法找出影响光电流响应最显著的工艺参数,之后在单因素水平上进行实验研究不同的沉积电压与光吸收和光电流响应的关系,当沉积液的浓度为7.5 mM,沉积时间为60 s,沉积电压为-3V,Mn-NPs@TNAs纳米复和材料的稳定光电流密度可达到1150μA/cm2。