镍钴氧纳米材料的制备及电催化性能研究

作     者：赵君 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓意达;吴晟

授予年度：2018年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 081705[工学-工业催化] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0702[理学-物理学] 

主      题：镍钴氧纳米材料 纳米薄膜 电催化剂 ORR/OER 锌–空气电池 

摘      要：氧反应(OER/ORR)催化在金属-空气电池等新能源器件中有着举足轻重的作用。近期,双功能氧催化剂逐渐受到研究者们关注。Pt、RuO和IrO等贵金属基催化剂被认为是催化氧反应的最佳催化剂,但是由于成本较高,循环稳定性产等因素制约了其进一步发展。所以制备高活性、稳定性的可替代贵金属的氧催化剂是很有价值的研究。镍钴氧是一种尖晶石型的过渡金属氧化物,其二维结构可以为催化反应提供较大的反应面积和较多的活性位点,并且在微观晶体结构中具有两种氧间隙和多种金属离子氧化态。因此制备二维形貌的镍钴氧材料,进而优化表面的活性位点数量,提高电催化性能是很有意义的工作。(1)通过共沉淀-烧结两步法制备镍钴氧化物纳米六方片材料,通过调控烧结温度,在250℃下成功制备出了低含量Co/Co和高含量Ni/Ni表面,450℃下高含量Co/Co和低含量Ni/Ni,以及中间状态350℃下的材料。分别对三种纳米材料进行了OER和ORR电化学测试,探究不同金属离子活性位点对电催化性能的影响。其中具有低含量Co/Co和高含量Ni/Ni表面的样品具有最优的双功能电催化性能,相比于贵金属催化剂Pt/C和RuO,制备催化剂具有更好地稳定性。因为富集的Ni和Co离子为OER/ORR提供了更多的活性位点,这优化了氧分子的吸附/解吸能垒,从而加速了整体反应动力学。其次,在催化过程中比较大的电导率确保了有效的电子转移。第三,2D纳米片和多孔结构提供了更大的比表面积,这有利于氧分子的吸附和电解质的扩散。(2)通过一步水热法制备了类石墨烯状镍钴氧纳米薄膜材料,在碱性条件下研究了不同Ni掺杂量对OER/ORR电催化性能的影响,测试结果发现当Ni/Co比为1/1时,具有最好的双功能催化性能,在该比例下,Ni和Co元素达到了最优配比,同时薄膜状的特殊结构也为催化提供了有利条件。在模拟现实条件下对基于最优双功能电催化性能的样品的锌–空气电池进行了测试,循环充放电时间可以超过60 h,具有比较稳定的循环充放电性能。