非贵金属自支撑电极的制备及其电催化水氧化性能的研究

作     者：郝圣洁 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高岩

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：水氧化 电催化 自支撑电极 非贵金属 

摘      要：传统的化石能源:煤,石油,天然气,虽然在地壳的总储量丰富,但化石能源究其根本是一种不可再生能源,随着其被过度地使用,给环境造成了严重的污染并且出现温室效应等问题,这就促使人们必须研究开发一些可再生的新能源来缓解化石能源的短缺。氢气作为一种清洁能源受到人们的广泛关注,经过研究,电催化水分解技术因其工艺简单,所产氢气纯度高,是一种理想的制氢方法。在水分解反应中,涉及多电子转移的水氧化反应是水分解反应的关键步骤。目前投入到工业化应用的水氧化电极材料多是一些贵金属基催化剂(钌、铂、铱的氧化物等),但贵金属因其价格高、储量低,无法进行大规模地工业化应用,因此研发高催化活性非贵金属电极材料是现在主要的研究趋势。传统的电极,往往是用一些高分子粘合剂将催化剂粉末粘结到电极上面,而自支撑电极则是通过直接原位生长的方式使催化剂长在导电基底上面,避免了粘合剂的添加,可直接作为电极使用,简化了电极制备过程并降低了成本。因此,自支撑电极是未来电极的发展趋势。基于以上背景,本文采用水热法在泡沫镍电极上面原位生长了碳酸锰立方晶体,再通过电沉积法在碳酸锰立方晶体表面修饰一层氢氧化铁,制得Fe(OH)/Mn CO-NF自支撑电极。电解液为1 M KOH,在10 m A/cm的电流密度下,过电位仅为213 m V,塔菲尔斜率为31.8 m V/dec。在计时电位稳定性测试中,电流密度10 m A/cm可以稳定23 h以上,效果基本保持不变。我们还通过简易的一步电沉积法在泡沫铜基底上生长了Co Se纳米片团簇结构,通过电化学测试,在电流密度为10 m A/cm,过电位为251 m V时,塔菲尔斜率66.5 m V/dec。经过一系列表征发现,Co Se在电化学活化的过程中,Se逐渐从表面脱离,Co Se纳米片团簇转化为含有Se缺陷的CoOOH六边形纳米板,表明在水氧化的过程中真正的活性中心是CoOOH,这种含有缺陷的CoOOH六边形纳米板展现了出色的电催化水氧化性能。