Co基催化剂制备及其电催化氧还原和析氧反应性能研究

作     者：义志涛 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何国强

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Co基催化剂 氧还原反应 析氧反应 双功能催化剂 ZIFs 

摘      要：锌空气电池因其能量密度高、原料丰富、环保、安全、成本低等优点受到广泛关注。但锌空气电池氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)过程的缓慢动力学,导致过电位高和催化效率低。铂和铱/钌基贵金属催化剂被认为是ORR和OER的高效电催化剂,但它们的稀缺性和高成本极大地限制其实际应用。研究具有双功能催化活性和低成本的电催化剂对于锌空气电池的发展具有重要意义。Co基催化剂因其优异的ORR和OER性能而引起广泛的重视。本文主要通过简单的合成方法制备多孔碳包覆Co微球、海胆状尖晶石NiCoO以及ZIFs-Co NC多面体催化剂,分析其组成、结构和机理,并对其电催化性能进行研究,以提高Co基非贵金属催化剂的性能。研究内容如下:(1)多孔碳包覆Co微球的制备及其电催化性能研究。首先采用水热合成法制备Co前驱体球,再利用盐酸多巴胺的自聚合作用经碳化获得多孔碳包覆Co微球(Co/PC)。利用XRD和SEM等表征技术分析样品的物相和形貌。电化学测试表明,Co/PC具有较高的ORR性能,其起始电位为0.886 V,半波电位为0.712 V,极限电流密度为5.50 m A cm,Tafel斜率为81 m V dec。在电流密度为10 m A cm时,Co/PC的过电位为438 m V。多孔碳包覆Co微球结构使催化剂独立分散,有效避免Co的团聚与流失,增加催化剂稳定性与耐久性,碳多孔结构和高比表面积有利于传质,获得催化活性和稳定性兼具的催化剂。(2)海胆状尖晶石NiCoO的制备及其电催化性能研究。以硝酸钴和硝酸镍为原料采用水热合成法制备海胆状尖晶石Ni CoO。XRD表征证明合成的Ni CoO为尖晶石结构,SEM观察其形貌为海胆状结构。电化学性能测试表明水热反应10 h获得的海胆状尖晶石Ni CoO具有较高的ORR活性,其起始电位为0.905 V,半波电位为0.796 V,极限电流密度为5.475 m A cm。同时兼具良好的OER活性,在电流密度为10 m A cm时过电位为421 m V,Tafel斜率为72 m V dec。其独特的结构具有丰富的活性位点,以及Ni掺杂提高导电性并促进电催化过程中的电荷转移,表现出良好的ORR和OER双功能催化活性。(3)ZIFs-CoNC多面体的制备及其电催化性能研究。硝酸钴和硝酸锌提供金属源,2-甲基咪唑作为有机连接剂,采用一锅溶剂法制备了ZIF-67-x:y多面体(x:y为Co与Zn的摩尔比),然后将其在高温下煅烧获得ZIFs-Co NC-x:y多面体。XRD和TEM分析了其元素组成和形貌特征。通过电化学性能测试表明,ZIFs-Co NC-3:1多面体具有良好的ORR活性,其起始电位为0.935 V,半波电位为0.846 V。ZIFs-Co NC-3:1多面体表现出较高的OER活性,在电流密度为10 m A cm时,其过电位为372 m V,并且具有较低的Tafel斜率(76 m V dec)。ZIFs-Co NC-3:1多面体多孔结构和高比表面积有利于暴露更多的活性位点和促进反应的进行,表现出较高的ORR和OER双功能催化性能。