NiCo2O4/NiO自支撑多孔纳米片阵列的光辅助析氧和氧还原特性

作     者：杨欢 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈玉金;俞海龙

授予年度：2019年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：镍钴氧化物 多孔纳米片阵列 自支撑电极 锌-空气电池 光辅助电催化 

摘      要：能源问题是关系到一个国家经济发展的战略问题。当前世界各国的能源主要来自于煤炭、石油等化石资源。然而,化石资源储量有限,是不可再生的资源,并且在利用化石资源时不可避免的会产生烟尘、二氧化碳、氮氧化物、硫化物等对环境有害的物质,因此在利用化石能源过程中,各国又面临着影响环境安全的威胁。随着化石能源的日益紧张,以及环境安全问题的日益凸显,发展高效、清洁、可持续发展的新型能源变得尤为重要。锌-空气电池由于其相当高的能量密度,并且氧气被用作正电极处的反应物,储存在电池外部直到其被放电,所以对于锌-空气电池的研究备受关注。目前,二氧化铱和二氧化钌具有优异的析氧反应（OER）催化性能,铂和铂基催化剂在氧还原反应（ORR）中表现出优异的催化活性,但其储量较少,价格较高,这极大地限制了它们的实际应用。因此需要研究新材料取代贵重金属催化剂,新材料应具有廉价、高效且稳定等优势。通过研究发现,金属氧化物催化剂表现出优异的电催化性能,如由铁、镍、钴等金属形成的催化剂。此外,自支撑电极由于具有良好的导电性及柔韧度,相比于使用粘结剂的催化剂,表现出更优异的电催化性能和实用性。本文通过简单的电沉积及退火热处理方法在碳布基底上生长镍钴氧化物纳米片,借助扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪以及以及X射线光电子能谱仪等仪器对样品的形貌和结构进行了相关表征。测试结果表明,晶态的钴镍氧化物纳米片均匀地生长在碳布表面,并且钴镍氧化物纳米片具有超薄性质,同时具有多孔的结构,在碳布上形成了具有较高结晶度的NiCo2O4和NiO,超薄与多孔特征有利于提升材料的催化活性。催化剂以碳布作为基底,并且由金属氧化物组成,增加了催化剂的电导性,从而增强了催化活性。自支撑钴镍氧化物纳米片作为锌-空气电池的电极以及电催化剂时,其表现出优异的析氧反应性能和氧还原反应性能,例如在析氧反应中,CoNi-800/CC电极仅需要277 mV的过电势就可以达到10 mA cm-2的电流密度;在氧还原反应中,CoNi-800/CC的半波电势为0.88 V,极限电流为3 mA cm-2。同时以自支撑钴镍氧化物纳米片为电极组装的液态固态锌-空气电极均表现出优异的实用性与稳定性。同时,在此基础上,研究中对合成的催化剂进行了光辅助电催化性能测试。测试结果表明,该催化剂对太阳光有良好的响应,光照可以明显改善材料的OER和ORR催化活性,有利于它们的实际应用。鉴于自支撑钴镍氧化物多孔纳米片是一种无贵重金属且高活性的双功能电催化剂,研究组装了液体和固态锌-空气电池。所组装的液态锌-空气电池在电流密度为5 mA cm-2的持续充放电循环中可以保持800小时的稳定性;所组装的固体电池的开路电压可以达到1.475 V,在电流密度为5 mA cm-2时,固体电池可以持续充放电循12小时以上。液体和固态锌-空气电池的综合性能可以与商用Pt-C/IrO2组装的电池的性能相媲美。因此,自支撑钴镍氧化物多孔纳米片是一种非常有前景的双功能催化剂。