铁元素调控的镍基硒化物及其氧析出应用研究

作     者：李云肖 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王双印

授予年度：2019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：镍基硒化物 掺杂 形貌 电子结构 氧析出反应 

摘      要：氢能,具有可以循环利用、清洁、能量密度高等优点,已成为新能源的首要选择。新能源技术中,氢气的生产离不开电解水设备,但是由于其阳极反应动力学比较缓慢,所以需要催化剂来催化反应的进行。传统的氧析出催化剂是贵金属钌、铱及其氧化物,但是其价格比较昂贵,限制了电解水设备的工业化应用,所以就迫切需要研究者们开发一些低价、环保、高效的非贵金属氧析出催化剂。大量研究数据证明,过渡金属硒化物有一个良好的氧析出性能,而且结构易于调控。所以研究者们在过渡金属硒化物改性方面做了大量研究以进一步提高氧析出催化性能,本文就从形貌和电子结构两个方面来调控镍基硒化物,具体内容主要如下:(1)利用离子交换方法,将NiSe/NF浸泡在沸腾的FeCl水溶液里,30 s时间内将NiSe纳米线转化成NiFe- Se@Ni(Fe)OOH核壳结构,即一种由纳米片包裹的超细纳米线核壳结构,此结构不仅有利于电子转移和传质,还增加了原催化剂的比表面积,使其暴露更多的活性位点;另一方面,大量研究表明,在氧析出过程中,羟基氧化物才是提高反应活性的实质催化剂,因此,本文中Fe掺杂的NiOOH进一步提高了催化性能。经过物理表征和电化学测试,我们证明由于Fe元素的调节以及特殊的离子交换反应,NiSe的本征活性和活性中心数量都得到提高。该研究不仅直观地证明了Ni和Fe之间强烈的相互作用,还提供了一种快速并且能够同时调控催化剂形貌和电子结构的方法。(2)合成不同比例的NiFe LDH,通过一步水热法,转化成Fe掺杂的NiSe,来探究Fe元素调控镍基硒化物的机理。通过表征发现,形貌上,Fe掺杂之后将纳米微球转化成多孔纳米微球,使催化位点的数量增加;电子结构上,从X射线光电子能谱分析出,Fe掺杂可以调节NiOOH中Ni元素的平均价态,提高Ni阳离子的OER催化活性。此外,电化学阻抗能谱表明Fe的掺杂可以提高NiSe的导电性,进一步证明Fe元素的掺杂对镍基硒化物催化氧析出反应有促进作用。该研究深化了研究者对于Ni和Fe协同作用的认识。