具有中空结构的NiFe基催化剂的形貌调控及其析氧性能研究

作     者：乔红艳 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：代小平

授予年度：2018年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：析氧反应 形貌调控 中空结构 NiFe基复合物 催化活性 

摘      要：近年来,能源紧缺成为一大难题。为了构建可持续的能源结构,人们需要找到行之有效的能源存储方案。通过电解水反应将过量的电能转化为化学能(氢气和氧气),能够有效地解决能源存储问题。在电解水反应过程中,析氧反应由于复杂的四电子转移机理,其动力学过程相当迟缓,人们需要找到高效的催化剂来加快析氧反应。目前,人们普遍认为RuO和IrO是有效的析氧催化剂,其在酸性和碱性电解液中表现出高活性。然而,成本高和储量不足这些缺点限制了他们的大规模生产和应用。最近的研究表明,NiFe基氢氧化物以及衍生出的氧化物和硫化物都表现出极低的析氧过电位。本论文主要围绕NiFe基氧化物和硫化物,通过设计中空的多面体结构和以碳层包覆金属合金、氧化物或硫化物颗粒的复合结构,制备出在碱性条件下具有高性能的析氧催化剂。本论文采用溶剂热的方法,通过调变Ni:Fe的金属比例制备出了具有不同形貌(包含正八面体、立方八面体和不规则的十四面体)的前驱体。后期经过自模板热解处理,最后得到具有中空结构的多面体复合材料(NiFe-HP)。利用多种表征技术研究复合材料的组成和结构等特征,并在碱性条件下对材料的电解水性能进行了测试。最终的结果表明:铁的比重增加时,不仅会改变材料的形貌,也会显著影响材料对析氧反应的催化活性。当金属投料比(Ni:Fe)为1:1时,制备的催化剂NiFe-HP在电催化析氧反应中表现出很高的活性和强稳定性。当电流密度为10mA cm时,NiFe-HP过电位只有280 mV。随后,在利用溶剂热法合成前驱体时直接引入硫单质作为硫源和形貌调控剂,通过改变硫单质的加入量,得到了具有不同形貌的前驱体。其中,主要有正方体、正八面体和立方八面体三种特征形貌。经自模板热解,多面体形貌仍能保持,并且内部形成大的空腔,生成了碳包裹NiFe硫化物、氧化物及合金的复合结构。结果表明,23-S-NiFe@NC-3样品具有极高的催化性能。电流密度为20 mA cm时,23-S-NiFe@NC-3对应过电位只有272 mV,碱性条件下的塔菲尔斜率为84 mV dec。其优异的性能归因于NiFe合金和碳层有效地提高了电子转移速率,以及NiFe硫化物、氧化物、合金与碳层的强有力的紧密结合及高效协同效应,使得催化剂不容易从电极表面脱落下来,从而表现出极高的稳定性。